FR3013802A1 - Generateur de vapeur ameliore par dissipation de chaleur d'une pile a combustible - Google Patents

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Abstract

Ensemble pour la génération de vapeur comprenant un empilement (1) de cellules élémentaires de pile à combustible, et des plaques terminales (2, 3) disposées de part et d'autre dudit empilement (1), caractérisé en ce que lesdites plaques terminales (2, 3) comprennent un échangeur de chaleur (21, 31) adapté pour réaliser un transfert de chaleur entre ledit empilement (1) et de l'eau circulant dans lesdites plaques terminales (2, 3) de manière à vaporiser tout ou partie de l'eau circulant dans lesdites plaques terminales (2, 3).

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des générateurs de vapeur. Elle trouve une application particulière notamment pour l'humidification de l'air dans les cabines d'avion ou dans la valorisation de la chaleur générée par une pile à combustible lors de son fonctionnement. ETAT DE L'ART La génération de vapeur pour l'humidification de l'air dans les cabines d'avion est actuellement réalisée par l'utilisation d'électrodes immergées dans l'eau, reliées à une source d'énergie électrique afin de provoquer une élévation de température et ainsi entrainer une génération de vapeur.
Plusieurs systèmes basés sur ce principe général de générateur de vapeur comprenant un réservoir d'eau et des électrodes sont connus. On peut notamment citer le document FR 2661233 dans lequel les électrodes immergées sont alimentées à tension constante et intensité variable au moyen d'une source d'énergie extérieure et indépendante du générateur de vapeur en lui-même. Le contrôle de l'intensité permet de piloter le dégagement de chaleur au niveau des électrodes, et donc la quantité d'eau vaporisée.
Le document EP 1861312 propose quant à lui d'utiliser une pile à combustible basse température comme source d'énergie électrique pour alimenter les électrodes du générateur de vapeur. Ces différents systèmes connus sont toutefois contraignants du fait notamment de leur structure qui implique l'association d'un générateur de vapeur et d'une source d'alimentation électrique. Il en résulte une architecture complexe du fait des différents flux à gérer, à savoir l'alimentation électrique en eau liquide et le flux sortant de vapeur.
En outre, de tels systèmes ont un poids et un volume relativement importants, ce qui est problématique en particulier pour des applications dans le domaine de l'aéronautique.
PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à répondre au moins en partie à ces problématiques de l'état de l'art.
A cet effet, la présente invention propose un ensemble pour la génération de vapeur comprenant un empilement de cellules élémentaires de pile à combustible, et des plaques terminales disposées de part et d'autre dudit empilement, caractérisé en ce que lesdites plaques terminales comprennent un échangeur thermique adapté pour réaliser un transfert de chaleur entre ledit empilement et de l'eau circulant dans lesdites plaques terminales de manière à vaporiser tout ou partie de l'eau circulant dans lesdites plaques terminales. Ledit ensemble présente avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment ou en combinaison : - ledit échangeur thermique est un échangeur de type liquide/liquide, adapté pour réaliser le transfert de chaleur entre un liquide de refroidissement de la pile à combustible et l'eau circulant dans lesdites plaques terminales ; - la pile à combustible est une pile à combustible de type pile à membrane échangeuse de protons à haute température, ou du type pile à oxyde solide ; - l'ensemble comprend en outre un collecteur de vapeur adapté pour collecter la vapeur d'eau en sortie desdits échangeurs thermiques ; il peut alors également comprendre un collecteur de liquide adapté pour collecter un éventuel reliquat d'eau liquide en sortie de l'échangeur thermique des plaques respectives ; - l'ensemble comprend en outre une turbine adaptée pour générer de l'électricité en étant entrainée par la vapeur générée. L'invention concerne également un système d'humidification de l'air, 5 comprenant un ensemble tel que défini précédemment, ainsi que des conduits adaptés pour acheminer la vapeur générée dans un volume donné de manière à humidifier l'air dans ledit volume. L'invention concerne en outre un véhicule tel qu'un avion comprenant un 10 ensemble ou un système tel que défini précédemment. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront 1 5 de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard de la figure 1 annexée qui représente schématiquement un ensemble selon un aspect de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE 20 La figure 1 représente schématiquement un ensemble selon un aspect de l'invention. On représente sur cette figure un empilement 1 de cellules élémentaires 25 de pile à combustible, et deux plaques terminales 2 et 3 situées de part et d'autre de cet empilement 1. Les cellules élémentaires de pile à combustible sont par exemple d'une structure connue, et chacune constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte et assemblées les unes aux autres 30 en série pour former l'empilement 1, communément désigné par le terme anglais "stack". En alimentant chaque électrode avec un réactif approprié, à savoir un combustible pour l'une et un comburant pour l'autre, on obtient une réaction électrochimique qui permet de créer une différence de potentiel entre les électrodes et donc de produire du courant électrique. Cet empilement 1 correspond au coeur de la pile à combustible puisque c'est dans celui-ci que va se produire la réaction électrochimique qui va permettre de générer le courant électrique. Les plaques terminales 2 et 3 sont disposées de part et d'autre de l'empilement 1, et réalisent plusieurs fonctions, notamment permettre la rigidification de l'empilement 1, son serrage en permettant le passage et le positionnement d'éléments de serrage autour de l'empilement 1, ainsi que la collecte du courant généré par les cellules élémentaires de pile à combustible. Les plaques terminales 2 et 3 selon l'invention comprennent en outre chacune un échangeur de chaleur, respectivement 21 et 31. Ces échangeurs sont alimentés en eau liquide par des conduits d'alimentation 4, et adaptés pour transférer de la chaleur de l'empilement 1 à l'eau liquide de manière à vaporiser tout ou partie de l'eau liquide. Les échangeurs de chaleur 21 et 31 réalisent ainsi la dissipation de la chaleur générée par le fonctionnement de l'empilement 1 en transférant cette chaleur à l'eau liquide circulant dans les plaques terminales 2 et 3. Les cellules élémentaires de pile à combustible utilisées ont typiquement une température de fonctionnement supérieure à 100°C, permettant ainsi de réaliser la vaporisation de l'eau liquide passant par les échangeurs de chaleur 21 et 31. Les plaques terminales 2 et 3 réalisent donc une fonction additionnelle de production de vapeur d'eau, en plus des fonctions citées précédemment.
Les cellules élémentaires de pile à combustible sont par exemple des cellules élémentaires d'une pile à combustible de type pile à membrane échangeuse de protons à haute température ayant une température de fonctionnement de l'ordre de 160°C, ou du type pile à oxyde solide ayant une température de fonctionnement supérieure à 700°C. De telles structures de piles à combustible sont bien connues de l'homme du métier, et leur fonctionnement ne sera pas décrit en détail ici. On comprend bien que d'autres types de cellules élémentaires de pile à combustibles peuvent être utilisés, dès lors que la température de fonctionnement est suffisamment élevée pour permettre la vaporisation de l'eau liquide circulant dans les échangeurs de chaleur 21 et 31 des plaques terminales 2 et 3.
Le type de cellules élémentaires de pile à combustible est par exemple choisi en fonction du débit d'eau à vaporiser, ce qui détermine la puissance thermique nécessaire. A titre d'exemple, une puissance thermique de 350W permet de vaporiser un débit d'eau de 0,13 grammes par seconde, une puissance thermique de 550W permet de 1 5 vaporiser un débit d'eau de 0,2 grammes par seconde, et une puissance thermique de 740W permet de vaporiser un débit d'eau de 0,27 grammes par seconde. Les échangeurs de chaleur 21 et 31 des plaques terminales 2 et 3 sont 20 par exemple des échangeurs de type liquide-liquide, réalisant un échange de chaleur entre un liquide de refroidissement de l'empilement 1 et l'eau liquide apportée par les conduits d'alimentation 4. La chaleur dégagée par l'empilement 1 est ainsi captée dans un premier temps par le liquide de refroidissement, par exemple un fluide 25 caloporteur, puis transférée à l'eau liquide circulant dans les plaques terminales 2 et 3. La vapeur d'eau produite est ensuite par exemple recueillie par un collecteur de vapeur 5, puis distribuée selon l'application voulue. 30 Le collecteur de vapeur 5 peut être couplé à un collecteur de liquide 6, adapté pour collecter de l'eau liquide ayant traversé les échangeurs de chaleur 21 ou 31 sans être vaporisée, et/ou de l'éventuelle condensation en sortie des échangeurs de chaleur 21 et 31.
Le collecteur de vapeur 5 peut par exemple être configuré pour réaliser un mélange entre la vapeur et de l'air, afin d'obtenir de l'air ayant un taux d'humidité donné, qui peut ensuite être injecté dans un environnement donné afin d'en augmenter l'humidité. La vapeur ainsi générée peut être utilisée afin de réaliser l'humidification de l'air dans une cabine d'avion, et/ou pour alimenter une turbine afin de générer de l'électricité, ce qui permet d'améliorer le rendement global de la pile à combustible en exploitant la chaleur générée lors de son fonctionnement. L'ensemble décrit présente ainsi plusieurs avantages. En premier lieu, il permet de réaliser une production de vapeur sans nécessiter un apport électrique d'une source d'énergie auxiliaire, et permet d'intégrer le générateur de vapeur dans le générateur d'électricité, à savoir les cellules élémentaires de pile à combustible, répondant ainsi aux problématiques de gestion électrique et fluidique présentes dans les systèmes antérieurs.
Par ailleurs, il couple avec synergie la fonction de génération d'électricité et la fonction de génération de vapeur, les calories générées par la fonction de génération d'électricité étant ici exploitées pour la génération de vapeur et non pas simplement dissipées et perdues, tandis que la génération de vapeur peut être réalisée sans apport supplémentaire de puissance électrique. Contrairement aux générateurs de vapeur selon l'état de l'art qui sont des générateurs de vapeur de type « actif », l'ensemble proposé permet d'obtenir un générateur de vapeur de type « passif », ne nécessitant pas un apport en énergie électrique. Enfin, l'ensemble décrit est avantageux en termes de volume et de 30 masse par rapport aux systèmes existants du fait du regroupement et de la mise en commun des fonctions de dissipation thermique et de génération de vapeur.
L'ensemble présenté trouve ainsi une application particulière dans l'aéronautique, pour des véhicules tels que des avions, ou plus généralement les véhicules ou environnements ayant une atmosphère contrôlée nécessitant une régulation du taux d'humidité. Dans le cas d'une application pour un aéronef, l'ensemble peut ainsi associer les fonctions de génération de vapeur et de source d'énergie électrique auxiliaire. 10

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Ensemble pour la génération de vapeur comprenant un empilement (1) de cellules élémentaires de pile à combustible, et des plaques terminales (2, 3) disposées de part et d'autre dudit empilement (1), caractérisé en ce que lesdites plaques terminales (2, 3) comprennent un échangeur de chaleur (21, 31) adapté pour réaliser un transfert de chaleur entre ledit empilement (1) et de l'eau circulant dans lesdites plaques terminales (2, 3) de manière à vaporiser tout ou partie de l'eau circulant dans lesdites plaques terminales (2, 3).
  2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel ledit échangeur de chaleur est un échangeur de type liquide/liquide, adapté pour réaliser le transfert de chaleur entre un liquide de refroidissement de la pile à 1 5 combustible et l'eau circulant dans lesdites plaques terminales (2,
  3. 3). 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la pile à combustible est une pile à combustible de type pile à membrane échangeuse de protons à haute température, ou du type pile à oxyde 20 solide.
  4. 4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un collecteur de vapeur (5) adapté pour collecter la vapeur d'eau en sortie desdits échangeurs de chaleur (21, 31). 25
  5. 5. Ensemble selon la revendication 4, comprenant en outre un collecteur de liquide (6) adapté pour collecter un éventuel reliquat d'eau liquide en sortie des échangeurs de chaleur (21, 31). 30
  6. 6. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre une turbine adaptée pour générer de l'électricité en étant entrainée par la vapeur générée.
  7. 7. Système d'humidification de l'air, comprenant un ensemble selon l'une des revendications 1 à 6, ainsi que des conduits adaptés pour acheminer la vapeur générée dans un volume donné de manière à humidifier l'air dans ledit volume.
  8. 8. Véhicule comprenant un ensemble selon l'une des revendications 6 ou 6 ou un système selon la revendication 7.
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