FR2900000A1 - Module de puissance comprenant une pile a combustible et un dispositif de degazage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible 21 et un dispositif de dégazage d'un premier fluide comprenant un liquide. Le dispositif de dégazage comprend un vase de dégazage 3 capable de fournir d'une part un fluide contenant essentiellement du liquide et d'autre part un fluide contenant essentiellement du gaz. En amont du vase de dégazage 3 est monté un diviseur de flux 2 capable de fournir d'une part un deuxième fluide alimentant le vase de dégazage 3 et comprenant du liquide et du gaz, et d'autre part un troisième fluide contenant essentiellement soit du liquide, soit du gaz destiné à être utilisé dans le module de puissance 20.

Description

Module de puissance comprenant une pile à combustible et un dispositif de

dégazage

La présente invention concerne les modules de puissance 5 utilisés dans les véhicules automobiles et plus particulièrement ceux équipés d'une pile à combustible. Les piles à combustibles sont développées pour fournir de l'énergie soit pour des applications stationnaires, soit dans le domaine aéronautique ou automobile. Leur utilisation nécessite notamment un 10 système de refroidissement permettant d'évacuer l'énergie thermique pouvant s'accumuler au sein de la pile à combustible. Une pile à combustible est un empilement successif d'éléments comprenant chacun une électrode anodique, une membrane, une électrode cathodique et une plaque de refroidissement, les électrodes 15 se présentant sous la forme de plaques de faible épaisseur comme la plaque de refroidissement. Chaque plaque comprend des canaux dans lesquels circulent, selon le type de plaque, les gaz anodiques ou cathodiques ou le liquide de refroidissement. Il y a une différence de pression importante, de l'ordre de 2 à 3 bars, entre les gaz anodiques 20 ou cathodiques et le liquide de refroidissement. Or, une pile à combustible comprend un nombre important de plaques, ce qui augmente la surface le long de laquelle les gaz anodiques ou cathodiques sont susceptibles de s'introduire dans les canaux du liquide de refroidissement. De plus, l'étanchéité entre les plaques est 25 assurée par des joints au niveau desquels une fuite peut aussi apparaître. Une telle fuite des gaz anodiques ou cathodiques dans le système de refroidissement entraîne, lorsqu'elle est importante, une perte d'efficacité pour la pile à combustible dont le carburant se 30 trouve dilué. Cependant, même lorsqu'elle est faible, une telle fuite entraîne surtout une perte d'efficacité du système de refroidissement. En effet, la présence de gaz dans le liquide de refroidissement peut faire baisser l'efficacité de la pompe du circuit de refroidissement, peut diminuer le coefficient d'échange thermique du liquide de refroidissement, ou peut faire augmenter la pression du circuit entraînant ainsi une perte de liquide de refroidissement. Il est donc important de prévoir des moyens permettant d'extraire les gaz présents dans le circuit de refroidissement.

Les systèmes de refroidissement classiques utilisent à cet effet des vases de dégazage. Ces vases stockent le liquide de refroidissement temporairement de manière à permettre une séparation par gravité du liquide et du gaz contenu dans le liquide. Puis, le liquide est réinjecté dans le système de refroidissement et le gaz est évacué à l'extérieur du circuit par une soupape. Cependant, la séparation du gaz et du liquide nécessite souvent un temps de séjour dans le vase relativement long et ce temps de séjour est égal au quotient du volume du vase de dégazage sur le débit de liquide. Ainsi, lorsque le débit du liquide à dégazer est important, la taille du vase doit être suffisamment grande pour réduire la vitesse du liquide et permettre ainsi une séparation des phases liquides et gazeuses. De plus, le vase de dégazage assure également la fonction de volume tampon. Un tel vase n'est donc envisageable que pour des applications stationnaires pour lesquelles le volume du circuit ne répond pas forcément à des contraintes de compacité. Toutefois, pour des applications non-stationnaires telles que les applications automobiles, la taille du vase doit rester limitée tout en permettant un dégazage efficace du liquide de refroidissement. De plus, le débit mis en oeuvre dans les applications automobiles est généralement important, de l'ordre de 7 à 10 m3/heure. On peut alors faire passer l'intégralité du liquide dans le vase, mais cela implique un dégazage partiel en raison de la vitesse trop élevée du liquide. Les demandes de brevet CA 2335268, DE 10031241 et WO 99/21240 proposent des systèmes de dégazage pour des piles à combustibles alimentées par l'oxygène de l'air et par un combustible liquide tel que le méthanol. Le combustible liquide remplit également la fonction de liquide de refroidissement. Il passe par un système de dégazage permettant d'extraire les produits issus de la réaction d'oxydoréduction tels que le CO2 ou la vapeur d'eau. Dans de tels systèmes, le dispositif de dégazage a surtout comme but de purifier le combustible sortant de la pile à combustible pour pouvoir le réinjecter dans la pile à combustible. Ainsi, l'intégralité du méthanol est traitée par le dispositif de dégazage de façon à le purifier. 1)e plus, le système de dégazage peut limiter également les pertes de méthanol lors du rejet des gaz. Le système est donc complexe et ne permet pas de traiter efficacement et rapidement un liquide contenant du gaz et circulant à grande vitesse. La demande de brevet JP 61216704 propose un dispositif permettant de récupérer le liquide contenu dans les gaz de rejet. Les gaz sont d'abord refroidis pour obtenir la condensation du liquide puis rejetés. Le liquide condensé passe alors par un éjecteur afin de libérer les gaz dissous et l'ensemble est introduit dans un vase afin de les séparer. L'intégralité du liquide passe donc dans le vase, ce qui limite la rapidité ou l'efficacité du système. La demande de brevet JP 2015570 propose un dispositif dans lequel de l'eau condensée et de l'eau oxydée sont traitées selon deux circuits différents afin de faciliter le dégazage de l'eau condensée. L'eau condensée traverse un réservoir de dégazage puis est mélangée à l'eau oxydée avant d'être réutilisée dans le système de refroidissement. Ici encore, l'intégralité du liquide à dégazer, en l'occurrence l'eau condensée, passe par un vase de dégazage. La demande de brevet JP 62217569 propose un dispositif permettant notamment de traiter l'eau de refroidissement issue de la pile à combustible. L'eau passe par un réservoir puis traverse une unité de traitement permettant le dégazage avant son injection dans la pile à combustible. Cette architecture oblige également de traiter l'intégralité de l'eau de refroidissement pour pouvoir la réutiliser dans la pile à combustible.

La demande de brevet FR 2837025 propose un système d'humidificateur intégré au système de refroidissement. En particulier, la demande propose de faire passer le liquide de refroidissement dans un condenseur puis un séparateur de phase afin de dégazer le liquide.

Le séparateur de phase est en fait un vase de dégazage par lequel passe l'intégralité du liquide de refroidissement. La demande de brevet JP 57101355 propose un système de dégazage chimique à adsorption présentant les mêmes problèmes de 5 rapidité et d'efficacité que les vases de dégazage. La demande de brevet CA 2120775 propose un dispositif pour batterie métal/air permettant d'éliminer l'hydrogène. En particulier, la demande prévoit le passage d'une partie de l'électrolyte de la batterie à travers deux réservoirs de dégazage. La demande ne prévoit pas de 10 passer l'intégralité de l'électrolyte dans les vases de dégazage car cela n'est pas possible. Cependant, l'électrolyte extrait de la batterie pour être dégazé traverse en intégralité les deux vases de dégazage. Il ne s'agit donc ni d'un dispositif performant puisqu'une seule partie de l'électrolyte est traitée, ni d'un dispositif rapide puisqu'il y a deux 15 vases de dégazage. La demande de brevet DE 10303486 propose un dispositif permettant de récupérer de l'énergie à partir des gaz issus de la pile à combustible. Le but du système est donc de récupérer de l'énergie et non de dégazer efficacement un liquide. 20 La demande de brevet JP 2003022811 propose un dispositif permettant d'améliorer la séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse. En particulier, la demande prévoit l'utilisation d'une surface présentant une forme de créneaux et permettant de créer des tensions dans le milieu situé en dessous, afin de faciliter la libération 25 du gaz. Parmi tous ces dispositifs de dégazage, aucun ne propose une architecture compacte complète permettant de séparer un gaz d'un liquide présentant un débit important, de manière efficace et rapide. L'invention vise à résoudre les problèmes mentionnés ci- 30 dessus. En particulier, l'invention a pour but de proposer un dispositif compact permettant de dégazer avec une efficacité accrue un fluide ayant un débit important. L'invention propose ainsi un module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible et un dispositif de dégazage d'un premier fluide comprenant un liquide. Le dispositif comprend un vase de dégazage capable de fournir d'une part un fluide contenant essentiellement du liquide et d'autre part un fluide contenant essentiellement du gaz. En amont du vase de dégazage est monté un diviseur de flux capable de fournir : - un deuxième fluide alimentant le vase de dégazage et comprenant du liquide et du gaz, et - un troisième fluide contenant essentiellement soit du liquide, soit du gaz, et destiné à être utilisé dans la pile à combustible.

Le premier fluide contenant du liquide peut être soit un liquide avec éventuellement du gaz dissous, soit un liquide et du gaz non-dissous. Dans ce dernier cas, soit le gaz est sous forme de bulles dispersées dans le liquide, soit le liquide est sous forme de gouttelettes dans le gaz.

Le dispositif a pour but de séparer la phase liquide et la phase gazeuse du premier fluide. Le dispositif comprend un vase de dégazage et un diviseur de flux. Le vase de dégazage permet de séparer efficacement le gaz du liquide en laissant décanter le mélange durant un temps suffisant. Cependant, comme le débit du premier fluide peut être important, et pour éviter une rétention trop importante de fluide dans le vase, un diviseur de flux est placé en amont du vase de dégazage. Le diviseur de flux permet de diminuer le débit de fluide envoyé dans le vase de dégazage. En effet, le diviseur de flux permet d'effectuer une pré-séparation de phase du premier fluide. Il permet donc d'obtenir d'une part un fluide contenant une phase liquide et une phase gazeuse, et d'autre part un fluide ne contenant essentiellement qu'une seule phase. La partie contenant du liquide et du gaz est acheminée vers le vase de dégazage afin d'y séparer les deux phases efficacement, tandis que la partie contenant essentiellement qu'une seule phase est destinée à être réutilisée directement dans le module de puissance. Ainsi, il est possible de traiter un débit important de fluide sans limiter le fonctionnement du module de puissance, grâce à l'association d'un diviseur de flux et d'un vase de dégazage. Il permet d'une part de diminuer le débit de fluide à traiter par le vase de dégazage, et d'autre part de continuer à alimenter le module de puissance avec un fluide ne contenant essentiellement qu'une seule phase. Plus particulièrement, le diviseur de flux permet de récupérer une partie de la phase majoritaire du premier fluide, sans récupérer la phase minoritaire. On entend ici par phase majoritaire et phase minoritaire respectivement la phase du fluide pur et la phase à retirer. Il est ainsi possible d'extraire la totalité d'une phase dispersée dans un fluide sans faire passer l'intégralité du fluide dans un vase de dégazage. Il y a donc un gain d'efficacité, de temps, de compacité et de perte de charge. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le troisième fluide contient essentiellement du liquide et la pile à combustible comprend un circuit de refroidissement dont le fluide caloporteur est le premier fluide comprenant du liquide.

Dans ce mode de réalisation, le premier fluide est le liquide de refroidissement du module de puissance. Dans ce cas, le troisième fluide fourni par le diviseur de flux et réutilisé directement dans le module de puissance, est le liquide de refroidissement sans le gaz. Le diviseur de flux est alimenté par le liquide de refroidissement contenant du gaz non-dissous. Il fournit d'une part un fluide avec une proportion plus importante de gaz qui est envoyé vers un vase de dégazage, et d'autre part un fluide contenant essentiellement du liquide de refroidissement qui est envoyé vers le circuit de refroidissement. Le système permet donc de dégazer plus efficacement le liquide de refroidissement puisque le débit d'alimentation du vase est réduit ce qui permet de réduire la taille du vase et de séparer plus efficacement le liquide du gaz, tandis que la partie du débit qui ne passe pas par le vase de dégazage continue d'être utilisée par le circuit de refroidissement.

Préférentiellement, le circuit de refroidissement comprend également un radiateur susceptible d'être alimenté par le troisième fluide contenant essentiellement du liquide. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de dégazage est placé avantageusement entre la pile à combustible, à l'intérieur de laquelle du gaz peut passer entre les plaques et se mélanger au liquide de refroidissement, et le radiateur qui permet de refroidir le liquide. Cette architecture permet d'augmenter l'efficacité des échanges thermiques dans le radiateur puisque les gaz éventuellement présents dans le liquide de refroidissement diminuent le coefficient d'échange thermique. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le troisième fluide contient essentiellement du gaz et la pile à combustible comprend au moins un refroidisseur- séparateur comprenant le dispositif de dégazage. Dans ce mode de réalisation, le premier fluide est un reformat riche en hydrogène contenant de l'eau. Dans ce cas, le troisième fluide fourni par le diviseur de flux et réutilisé directement dans le module de puissance, est le reformat sans l'eau. Le diviseur de flux est monté en aval du refroidisseur et est alimenté par le reformat contenant de l'eau. Le diviseur de flux fournit d'une part un reformat contenant une plus grande proportion d'eau qui est envoyé vers le vase de dégazage, et d'autre part un reformat riche en hydrogène qui est envoyé vers la pile à combustible. Le système permet donc de séparer plus efficacement le reformat et l'eau qu'il contient puisque le débit d'alimentation du vase est réduit. Cela permet de réduire la taille du vase et de séparer plus efficacement le liquide du gaz, tandis que la partie du reformat qui ne passe pas par le vase de dégazage est utilisée par la pile à combustible sans pour autant contenir de l'eau.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le diviseur de flux présente une forme cylindrique dont l'axe est vertical, et une entrée tangentielle. Cette géométrie de diviseur permet de faire une pré-séparation de phase par centrifugation. L'eau entre tangentiellement dans le diviseur de flux et tourne le long de la paroi cylindrique. Grâce à la différence de densité entre le liquide et le gaz, le diviseur de flux va séparer les deux fluides. En particulier, les gaz vont se concentrer plus particulièrement dans la partie centrale du cylindre, tandis que le liquide va rester préférentiellement le long des parois cylindriques. I1 suffit alors de prévoir par exemple une sortie tangentielle pour récupérer le liquide et une sortie au centre de la face de base supérieure du cylindre pour récupérer les gaz ainsi qu'une partie du liquide entraînée par les gaz.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le diviseur de flux présente une forme cylindrique ou parallélépipédique avec deux faces de base et dont l'axe est horizontal, et une entrée sur l'une de ses faces de base et deux sorties sur l'autre face de base. Le diviseur de flux est basé sur un élargissement brusque du conduit d'acheminement du fluide. Ainsi, lorsque le fluide entre le diviseur de flux, la vitesse diminue et les forces de gravité deviennent dominantes par rapport aux forces inertielles. La phase liquide et la phase gazeuse peuvent donc être séparées en raison de la différence de densité. Il suffit de prévoir une sortie pour le gaz mélangé au liquide sur la partie supérieure de l'élargissement avant que celui-ci ne se rétrécisse à nouveau pour reprendre le diamètre initial des conduits d'acheminement du liquide. Préférentiellement, le diviseur de flux comprend une plaque perméable ou une grille capable de favoriser la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse du fluide. L'invention se rapporte également à un procédé de dégazage d'un premier fluide contenant un liquide circulant dans un module de puissance comprenant une pile à combustible, dans lequel : - on divise d'abord le premier fluide de manière à obtenir un deuxième fluide comprenant du liquide et du gaz, et un troisième fluide contenant essentiellement soit du liquide, soit du gaz, puis - on sépare le liquide et le gaz du deuxième fluide et - on utilise le troisième fluide dans le module de puissance. Un tel procédé permet de diminuer le débit de fluide alimentant le vase de dégazage et de dégazer l'intégralité du débit de fluide de manière efficace. Le procédé propose en effet de faire une pré-séparation de phase en prélevant une partie de la phase la plus abondante au sein du premier fluide, tandis que le reste du fluide est acheminé vers un vase de dégazage dans lequel la séparation entre le liquide et le gaz pourra être effectuée de manière plus lente mais plus efficace. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on prélève le premier fluide contenant un liquide dans la partie supérieure 5 de la pile à combustible. Dans ce mode de mise en oeuvre, le premier fluide est prélevé dans la partie haute de la pile à combustible, c'est-à-dire dans la partie où le gaz est le plus susceptible de s'accumuler. Selon un autre mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, 10 on prélève également, dans la partie supérieure de la pile à combustible, un fluide de faible débit comprenant du liquide et du gaz, puis on sépare le liquide et le gaz. La pile à combustible présente alors deux sorties pour le fluide de refroidissement : d'une part une sortie principale par laquelle le 15 débit du fluide est important ; d'autre part, une sortie secondaire par laquelle le débit de fluide sera plus faible mais la proportion de gaz dans le liquide sera plus importante. Le fluide issu de la sortie principale est dégazé avec le dispositif de diviseur de fluide couplé au vase de dégazage, afin de réduire le débit de fluide alimentant le vase, 20 tandis que le fluide riche en gaz issu de la sortie secondaire passe intégralement dans le vase. Ce mode de réalisation permet ainsi de mieux dégazer la pile à combustible. En effet, le vase est alimenté d'une part par du fluide prélevé dans la partie supérieure de la pile à combustible, dans la partie où le gaz est le plus susceptible de 25 s'accumuler, et d'autre part par le diviseur de flux. Le diviseur de flux est alimenté par un fluide prélevé à un niveau quelconque de la pile à combustible, ce qui permet de limiter la quantité de gaz contenu dans le liquide de refroidissement. Le diviseur de flux va donc acheminer vers le vase de dégazage un débit encore plus faible de fluide. 30 L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée suivante de plusieurs modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de dégazage d'un liquide selon un premier aspect de l'invention ; - la figure 2 est un schéma synoptique d'un dispositif de 5 dégazage d'un gaz selon un second aspect de l'invention ; - la figure 3 est un schéma synoptique d'un module de puissance pourvu d'un dispositif de dégazage selon le premier aspect de l'invention ; - les figures 4 à 7 représentent différents modes de 10 réalisations de diviseurs de flux selon l'invention ; - la figure 8 représente un ensemble diviseur de flux et vase de dégazage selon le second aspect de l'invention. Sur la figure 1 est représenté un schéma synoptique d'un dispositif 1 de dégazage selon un premier aspect de l'invention. Le 15 dispositif 1 permet une séparation de phase d'un liquide contenant une petite proportion de gaz présent sous forme de bulles. Le dispositif 1 comprend un diviseur de flux 2 et un vase de dégazage 3. Le dispositif 1 est alimenté, via une conduite 4, par un premier fluide contenant du liquide. Le premier fluide peut être du liquide uniquement (avec 20 éventuellement du gaz dissous) ou bien du liquide avec du gaz non-dissous. On prendra comme exemple le cas où le premier fluide est un liquide de refroidissement contenant du gaz non-dissous. Le diviseur 2 est alimenté par le liquide de refroidissement contenant du gaz et fournit, via la conduite 5, un troisième fluide contenant 25 essentiellement du liquide de refroidissement. Préférentiellement, le débit du troisième fluide est supérieur à 90% du débit total du premier fluide. Ce liquide de refroidissement est alors renvoyé dans le circuit de refroidissement (non représenté) d'une pile à combustible. Le diviseur de flux 2 produit également un deuxième fluide contenant du 30 liquide de refroidissement et une proportion plus importante de gaz. Préférentiellement, le débit du deuxième fluide est inférieur à 10% du débit total du premier fluide. Le deuxième fluide est acheminé par la conduite 6 vers le vase de dégazage 3 dans lequel le liquide de refroidissement et le gaz sont séparés de manière efficace car le débit d'alimentation du vase de dégazage 3 est plus petit que celui du diviseur de flux 2. Le vase de dégazage 3 fournit, par une conduite 7, un fluide contenant essentiellement du liquide de refroidissement et, par une conduite 8, un fluide contenant essentiellement le gaz contenu dans le premier fluide. Le gaz acheminé par la conduite 8 peut alors être évacué tandis que le liquide acheminé par la conduite 7 est également renvoyé dans le circuit de refroidissement (non représenté). La figure 2 représente un dispositif 11 de séparation de phase d'un gaz contenant une petite proportion de liquide présent par exemple sous forme de gouttelettes. Le dispositif 11 comprend un diviseur de flux 12 et un vase de dégazage 13. On prendra comme exemple le cas où le premier fluide est un reformat riche en hydrogène alimentant la pile à combustible et contenant de l'eau sous forme de gouttelettes. Le dispositif 11, selon un second aspect de l'invention, se place préférentiellement après un refroidisseur (non représenté) qui permet dans un premier temps de condenser la vapeur d'eau et donc de former les gouttelettes à extraire du reformat. Le premier fluide contenant le reformat et les gouttelettes alimentent le diviseur de flux 12 via une conduite 14. Le diviseur de flux 12 permet de fournir, à partir du premier fluide, d'une part un troisième fluide contenant essentiellement du reformat et qui est acheminé vers la pile à combustible (non représentée) par une conduite 15, et d'autre part un deuxième fluide contenant du reformat et une plus grande proportion de gouttelettes. Le deuxième fluide est acheminé vers le vase de dégazage 13 par une conduite 16. Le vase de dégazage 13 permet de séparer efficacement le reformat des gouttelettes d'eau grâce à un débit d'alimentation plus petit que celui du diviseur de flux 12. Le vase 13 fournit alors d'une part un fluide contenant essentiellement du reformat et qui est acheminé par une conduite 17 vers la pile à combustible, et d'autre part un fluide contenant essentiellement les gouttelettes d'eau présentes dans le premier fluide et qui est acheminé par une conduite 18 soit pour être évacué, soit pour être réutilisé par la pile à combustible (dans le cas d'un vapo-reformeur par exemple).

La figure 3 représente un module de puissance 20 comprenant un dispositif de dégazage 1 selon le premier aspect de l'invention. Le dispositif de dégazage 1 est utilisé pour traiter le liquide de refroidissement. Les éléments communs au mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références. Le module de puissance 20 comprend une pile à combustible 21 parcourue par un liquide de refroidissement dont la température augmente en fonction de l'énergie thermique prélevée dans la pile à combustible 21. Un radiateur 22 placé dans le circuit de refroidissement permet de favoriser les échanges thermiques entre le liquide de refroidissement sortant de la pile à combustible 21 et une source dite froide (en général l'atmosphère). Afin de favoriser les échanges thermiques dans le radiateur 22, le dispositif de dégazage 1 est placé entre la pile à combustible 21 et le radiateur 22. Le dispositif 1 comprend une première conduite 4 acheminant le liquide de refroidissement de la pile à combustible 21 vers un diviseur de flux 2. Le diviseur de flux 2 permet d'obtenir d'une part un fluide comprenant essentiellement du liquide de refroidissement et d'autre part un fluide contenant du liquide de refroidissement et des gaz.

Le fluide contenant essentiellement du liquide de refroidissement est acheminé par une conduite 5 vers une vanne 24. La vanne 24 permet de répartir le liquide entre le radiateur 22, via une conduite 25, et la pile à combustible 21, via une conduite 26. La vanne 24 est commandée par un thermostat (non représenté). Ainsi, lorsque la température du liquide de refroidissement est inférieure à la température optimale de fonctionnement de la pile à combustible 21, le thermostat commande la vanne 24 de manière à diriger la totalité du liquide de refroidissement vers la conduite 26. Lorsque la température du liquide de refroidissement est proche ou supérieure de la température optimale de fonctionnement de la pile à combustible 21, le thermostat commande la vanne 24 de manière à faire passer une partie ou la totalité du liquide de refroidissement vers la conduite 25 qui mène au radiateur 22. Dans tous les cas, le liquide de refroidissement est ensuite réacheminé par une conduite 27 vers la pile à combustible 21 grâce notamment à une pompe 28. Le fluide comprenant du liquide de refroidissement et des gaz est acheminée du diviseur de flux 2 à un vase de dégazage 3 par une conduite 6. Le vase de dégazage 3 peut être par exemple un vase classique qui permet l'évacuation de gaz vers l'extérieur en cas de surpression, ou bien éventuellement l'entrée de l'air en cas de forte dépression. Le vase de dégazage 3 sépare la phase liquide et la phase gazeuse du fluide qui l'alimente. La phase liquide qui comprend essentiellement du liquide de refroidissement est renvoyée vers la pile à combustible 21 par une conduite 7 qui achemine le liquide du vase 3 à la conduite 27. La phase gazeuse est quant à elle évacuée par exemple vers l'extérieur par une soupape 80. Le vase de dégazage 3 peut également être alimenté en liquide de refroidissement contenant du gaz non-dissous par une seconde conduite 23. Préférentiellement, la conduite 23 achemine le liquide de refroidissement de faible débit et riche en gaz, de la partie haute de la pile à combustible 21 vers le vase de dégazage 3. Dans la mesure où le liquide est prélevé dans une partie de la pile à combustible 21 où les gaz sont susceptibles de s'accumuler, et dans la mesure où le prélèvement se fait à un débit faible, il n'est pas nécessaire de le faire passer dans un diviseur de flux. Ce liquide de refroidissement riche en gaz, issu de la partie haute de la pile à combustible 21, est ensuite traité de manière analogue au liquide de refroidissement riche en gaz issu du diviseur de flux 2. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le vase de dégazage 3 peut être alimenté uniquement par le diviseur de flux 2. Dans ce cas, il n'y a plus de conduite 23 et la conduite 4 peut être placée alors au niveau de la partie supérieure de la pile à combustible 21. Ce mode de réalisation peut être choisi en particulier lorsque la fuite de gaz dans le liquide de refroidissement reste faible en comparaison avec le débit du liquide derefroidissement. La figure 4 représente un premier mode de réalisation de diviseur de flux 2. Les éléments communs au mode de réalisation des figures 1 et 3 portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, le diviseur 2 se présente sous la forme d'un embranchement d'une conduite 6 avec une conduite 4. L'embranchement de la conduite 6 se fait sur la partie supérieure de la conduite 4 qui achemine le premier fluide contenant du liquide de refroidissement et du gaz. Le gaz qui circule dans la conduite 4 se trouve préférentiellement dans la partie supérieure de la conduite 4. Ainsi, lorsque le liquide et le gaz se trouvent au niveau de l'embranchement avec la conduite 6, le gaz est naturellement entraîné vers la conduite 6 avec une partie du liquide de refroidissement, tandis que le reste du liquide de refroidissement continue vers une conduite 5. Ce mode de réalisation s'applique préférentiellement lorsque la quantité de gaz et la vitesse du liquide de refroidissement sont relativement faibles. En particulier, l'homme du métier pourra, en pratique, évaluer facilement l'efficacité de ce mode de réalisation et pourra, si nécessaire, adapter les diamètres ou les angles entre les conduites 4, 5 et 6 en conséquence. De plus, ce mode de réalisation s'applique avantageusement avec un module de puissance 20 comprenant une conduite 23, tel que représenté sur la figure 3. En effet, la conduite 23 permet d'acheminer, à elle seule, une grande quantité des gaz présents dans le liquide de refroidissement vers le vase de dégazage. Les gaz restant dans la pile et susceptibles d'être acheminés au niveau de la conduite 4 sont donc en plus faible quantité et ne nécessitent donc pas un diviseur de flux 2 plus élaboré.

La figure 5 représente un mode de réalisation du diviseur de flux 2. Les éléments communs au mode de réalisation des figures 1, 3 et 4 portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, le diviseur 2 présente une forme cylindrique 29 avec un axe vertical, et permet de réaliser une pré-séparation de phase par centrifugation. La conduite 4 achemine le premier fluide jusqu'à une entrée 30 du diviseur du flux 2 qui est placée de manière tangentielle à la surface cylindrique et se situe dans la partie haute du cylindre 29. Le liquide circule alors le long de la paroi selon le tracé F1, tandis que les gaz, en raison de leur densité plus faible, vont s'accumuler dans la partie centrale du cylindre 29. Ce phénomène est accentué par l'augmentation de la section, selon une coupe verticale, du diviseur 2 par rapport à la conduite d'alimentation 4 : l'élargissement de la section permet de ralentir la vitesse clu fluide et donc de favoriser les forces inertielles qui conduisent à la séparation liquide-gaz. On observe donc une circulation tourbillonnaire du liquide dans le diviseur de flux 2 en raison de sa forme cylindrique et des forces centrifuges : le liquide est la seule phase à rester en contact avec la paroi tandis que le gaz se retrouve dans la partie centrale du cylindre. Le liquide, sans le gaz qu'il contenait initialement, est alors dirigé vers une conduite 5 par une sortie 31 du diviseur de flux 2 qui s'effectue de manière tangentielle à la paroi de cylindre 29 et qui se situe dans la partie basse du cylindre 29. La sortie tangentielle permet de prélever le liquide circulant le long de la paroi, c'est-à-dire le liquide sans le gaz.

Le gaz ainsi qu'une fraction du liquide entraînée par le gaz, est évacué vers une conduite 6 par une sortie 32 située au milieu de la face de base supérieure du cylindre 29. La conduite 6 achemine alors le mélange de liquide de refroidissement et de gaz vers un vase de dégazage (non représenté sur la figure 5). La position des conduites 4 et 6 situées dans la partie haute du cylindre 29, en comparaison avec la conduite 5 située dans la partie basse du cylindre 29, permet également de favoriser la séparation de deux phases. Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 peut avantageusement être intégré dans le module de puissance 20 tel qu'il est représenté sur la figure 3.

La figure 6 représente un autre mode de réalisation du diviseur de flux 2. Les éléments communs au mode de réalisation des figures 1, 3, 4 et 5 portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, le diviseur 2 présente une forme cylindrique 29 avec un axe horizontal. La conduite 4 achemine le premier fluide jusqu'à une entrée 30 du diviseur du flux 2 qui est placée de manière perpendiculaire à l'une des faces de base du cylindre 29. Le liquide circule alors le long de l'axe du cylindre 29 tandis que les gaz, en raison de leur densité plus faible, vont s'accumuler dans la partie supérieure du cylindre 29. Le liquide, sans le gaz qu'il contenait initialement, se dirige alors vers une conduite 5 par une sortie 31 du diviseur de flux 2 qui s'effectue de manière perpendiculaire à la seconde face de base du cylindre 29. Les gaz ainsi qu'une fraction du liquide entraînée par les gaz, sont évacués vers une conduite 6 par une sortie 32 située dans la partie supérieure du cylindre 29. Le principe de ce mode de réalisation repose également sur un élargissement de la section d'acheminement du premier fluide et donc sur une diminution de la vitesse de ce dernier. La conduite 6 achemine alors le mélange de liquide de refroidissement et de gaz vers un vase de dégazage (non représenté sur la figure 6). Le mode de réalisation représenté sur la figure 6 peut avantageusement être intégré dans le module de puissance 20 tel qu'il est représenté sur la figure 3. La figure 7 représente un autre mode de réalisation du diviseur de flux 2. Les éléments communs au mode de réalisation des figures 1, 3, 4, 5 et 6 portent les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, le diviseur 2 présente également une forme cylindrique 29 avec un axe horizontal. La conduite 4 achemine le premier fluide jusqu'à une entrée 30 du diviseur du flux 2 qui est placée de manière perpendiculaire à l'une des faces de base du cylindre 29, et dans la partie supérieure de ladite face de base. La seconde face de base du cylindre 29 comprend, dans ce mode de réalisation, les deux sorties 31 et 32 du diviseur de flux 2. La première sortie 32 par laquelle circule le mélange de liquide et de gaz, et qui conduit le mélange vers la conduite 6, est placée perpendiculairement à la seconde face de base, dans la partie supérieure, tandis que la seconde sortie 31 par laquelle circule essentiellement le liquide, est placée également perpendiculairement à la seconde face de base, mais dans sa partie inférieure. De cette façon, le liquide est obligé de circuler le long du cylindre 29 avec un écoulement principal descendant, comme représenté par les tracés F2. Ce mouvement selon F2 permet d'accentuer la séparation entre liquide et gaz qui s'effectue par gravité. De plus, en raison de l'élargissement important de la section de la conduite d'acheminement du liquide de refroidissement, le liquide est ralenti dans le cylindre 29, ce qui permet de mieux séparer les bulles de gaz du liquide. Ainsi, la valeur maximale de la section dans le cylindre 29 égale le produit de la longueur par le diamètre du cylindre. Préférentiellement, une plaque 33 perforée ou en forme de grille peut être placée parallèlement à l'axe du cylindre 29, entre les deux sorties 31, 32 du diviseur de flux 2, afin d'améliorer, si nécessaire, la séparation entre le liquide et les bulles de gaz. L'épaisseur, la perméabilité et la forme de la plaque 33 de séparation sont choisies de manière à favoriser d'une part l'écoulement principal descendant avec une vitesse homogène et d'autre part la séparation du liquide et du gaz. Le liquide, sans le gaz qu'il contenait initialement, se dirige vers une conduite 5 par la sortie 31 du diviseur de flux 2 située sur la partie inférieure de la seconde face de base du cylindre 29. Le gaz ainsi qu'une fraction du liquide entraînée par le gaz, est évacué vers une conduite 6 par la sortie 32 située dans la partie supérieure de la seconde face de base du cylindre 29. La conduite 6 achemine le mélange de liquide de refroidissement et de gaz vers un vase de dégazage (non représenté sur la figure 7). Le mode de réalisation représenté sur la figure 7 peut avantageusement être intégré dans le module de puissance 20 tel qu'il est représenté sur la figure 3. L'angle et la position des conduites 4, 5 et 6, ainsi que la forme des faces de base du cylindre 29 ne sont pas limitées par les modes de réalisation décrits sur les figures 5 à 7. En particulier, la forme du diviseur de flux 2 représenté sur les figures 6 et 7 peut être cubique, parallélépipédique, ... La figure 8 représente un autre mode de réalisation selon le second aspect de l'invention avec lequel on peut réaliser la séparation de phase d'un gaz quelconque, par exemple un reformat ou de l'hydrogène, contenant une petite proportion d'eau présente sous forme de gouttelettes. Nous retiendrons l'exemple du reformat pour la suite de la description. Les éléments communs au mode de réalisation de la figure 2 portent les mêmes références. La figure 8 représente un diviseur de flux 12 et un vase de dégazage 13. Le dispositif 11 est placé préférentiellement en aval d'un refroidisseur (non représenté). Le mélange de reformat et de gouttelettes d'eau est acheminé vers le diviseur de flux 12 par la conduite 14. Le diviseur de flux 12 présente une forme cylindrique 29 avec un axe vertical. L'entrée 34 par laquelle le mélange de reformat et d'eau acheminé par la conduite 14 entre dans le diviseur 12, est placée tangentiellement à la paroi cylindrique du diviseur 12, à une distance sensiblement égale des deux faces de base. Une première séparation a lieu entre le reformat et les gouttelettes d'eau grâce à la différence de densité. Les gaz vont se déplacer vers la face de base supérieure du cylindre 29, comme cela est représenté par le tracé F3, tandis que les gouttelettes vont se diriger vers la face de base inférieure comme cela est représenté par le tracé F4. Cette première séparation permet d'éviter la présence de gouttelettes dans la partie supérieure du cylindre 29. Une deuxième séparation a lieu alors dans la partie inférieure du cylindre 29 grâce à la force centrifuge. En effet, dans la moitié inférieure, les gouttelettes restent plaquées contre la paroi cylindrique par centrifugation tandis que le gaz va plus facilement se placer dans la partie centrale du cylindre 29. Le gaz passe dans une conduite 18 via une sortie 36 placée préférentiellement au milieu de la face de base supérieure, et est acheminé vers la pile à combustible (non représentée). Les gouttelettes d'eau, ainsi qu'une partie du gaz, passent par une conduite 15 via une sortie 35 placée préférentiellement au milieu de la face de base inférieure du cylindre 29, et sont acheminés vers le vase de dégazage 13. Pour assurer que toute l'eau ne soit pas emportée par les gaz à grande vitesse, la sortie 35 doit être suffisamment grande pour que le liquide puisse évacuer et descendre librement vers le vase de dégazage 13. Le vase 13 se remplit de liquide et permet également la séparation finale entre l'eau et le reformai. Le reformat libéré est acheminé par la conduite 15 vers le diviseur de flux 12 dans lequel il ressort par la conduite 18 située sur la partie supérieure du diviseur de flux 12, afin d'être acheminé vers la pile à combustible. L'eau qui était contenue initialement dans le reformat, s'accumule dans le vase 13 jusqu'à ce qu'elle soit évacuée par une conduite 17 placée dans la partie inférieure du vase 13. La conduite 17 comprend une vanne 37 commandée par un détecteur de niveau 38. Le détecteur de niveau 38 mesure le niveau d'eau présent dans le vase de dégazage 13. Lorsque le niveau d'eau dans le vase 13 dépasse un seuil S1, le détecteur 38 commande l'ouverture de la vanne 37 de manière à évacuer l'eau dans la conduite 17 jusqu'à ce que le niveau de l'eau dans le vase 13 redescende jusqu'à un niveau S2. Lorsque le niveau d'eau dans le vase 13 atteint le seuil S2, le détecteur 38 commande la fermeture de la vanne 37. Ainsi, grâce aux modes de réalisations présentés, il est possible de séparer un gaz d'un liquide de manière rapide et efficace. Le dispositif décrit présente ainsi un encombrement réduit, permet un fonctionnement continu du circuit dans lequel il est placé et réalise la séparation de phase de manière efficace et rapide. De tels avantages sont particulièrement appréciés pour des applications automobiles, notamment dans des circuits de refroidissement ou dans des circuits d'acheminement de reformat. On a donc un dispositif compact pouvant dégazer un liquide, même à fort débit. Cependant, l'invention ne se limite pas aux applications données en exemples clans la description détaillée, mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi, le mode de réalisation selon le deuxième aspect de l'invention pourra avantageusement être utilisé en aval de la pile à combustible, pour séparer l'eau produite par la pile à combustible des gaz de rejet. De même, l'invention pourra également être appliquée à tout système de refroidissement ou de canalisation fluidique, par exemple le circuit d'acheminement d'un carburant ou le circuit de refroidissement d'une machine thermique conventionnelle, etc.25

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Module de puissance, notamment pour véhicule automobile, comprenant une pile à combustible (21) et un dispositif (1, 11) de dégazage d'un premier fluide comprenant un liquide, avec un vase de dégazage (3, 13) capable de fournir d'une part un fluide contenant essentiellement du liquide et d'autre part un fluide contenant essentiellement du gaz, caractérisé en ce qu'en amont du vase de dégazage (3, 13) est monté un diviseur de flux (2, 12) capable de fournir : - un deuxième fluide alimentant le vase de dégazage (3, 13) et comprenant du liquide et du gaz, et - un troisième fluide contenant essentiellement soit du liquide, soit du gaz, et destiné à être utilisé dans la pile à combustible (21).

2. Module de puissance selon la revendication 1 dans lequel le troisième fluide contient essentiellement du liquide et dans lequel la pile à combustible (21) comprend un circuit de refroidissement dont le fluide caloporteur est le premier fluide comprenant du liquide.

3. Module de puissance selon la revendication 2 dans lequel le circuit de refroidissement comprend également un radiateur (22) susceptible d'être alimenté par le troisième fluide contenant essentiellement du liquide.

4. Module de puissance selon la revendication 1 dans lequel le troisième fluide contient essentiellement du gaz et dans lequel la pile à combustible (21) comprend au moins un refroidisseur-séparateur comprenant le dispositif (11) de dégazage.

5. Module de puissance selon l'une des revendications précédentes dans lequel le diviseur de flux (2, 12) présente une forme cylindrique dont l'axe est vertical, et une entrée tangentielle (30, 34).

6. Module de puissance selon l'une des revendications précédentes dans lequel le diviseur de flux (2, 12) présente une forme cylindrique ou parallélépipédique avec deux faces de base et dontl'axe est horizontal, et une entrée (30) sur l'une de ses faces de base et deux sorties (31, 32) sur l'autre face de base.

7. Module de puissance selon l'une des revendications précédentes dans lequel le diviseur de flux (2) comprend une plaque (33) perméable ou une grille capable de favoriser la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse du fluide.

8. Procédé de dégazage d'un premier fluide contenant un liquide circulant dans un module de puissance (20) comprenant une pile à combustible (21), dans lequel : - on divise d'abord le premier fluide de manière à obtenir un deuxième fluide comprenant du liquide et du gaz, et un troisième fluide contenant essentiellement soit du liquide, soit du gaz, puis - on sépare le liquide et le gaz du deuxième fluide, et - on utilise le troisième fluide dans le module de puissance (20)

9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on prélève le premier fluide contenant un liquide dans la partie supérieure de la pile à combustible (21).

10. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on prélève également, dans la partie supérieure de la pile à combustible (21), un fluide de faible débit comprenant du liquide et du gaz, puis on sépare le liquide et le gaz.