FR3063021A1 - Evaporateur et assemblage de piles a combustible equipe dudit evaporateur - Google Patents

Evaporateur et assemblage de piles a combustible equipe dudit evaporateur Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un évaporateur comprenant un corps entouré d'un carter présentant une entrée d'amenée d'un liquide dans ledit carter, et une sortie de délivrance de vapeur engendrée. Ledit corps inclut une multiplicité de platines (7) superposées à plat. Un répartiteur de liquide est interposé entre ladite entrée et ledit corps. Chacune desdites platines (7) comporte, sur une première surface, une structure (10) répartitrice de liquide dotée de conduits répartiteurs (20, 21, 22, 23), une surface d'évaporation (11) et une structure (12) collectrice de gaz qui inclut des conduits (30) collecteurs de gaz et un canal de sortie (31).

Description

DESCRIPTION
La présente invention se rapporte à un évaporateur, ainsi qu’à un assemblage de piles à combustible équipé d’un évaporateur conforme à l’invention.
Un évaporateur est connu, par exemple, d’après le document WO 2006/108796 Al. L’évaporateur connu comporte au moins une platine d’évaporation munie de canaux d’évaporation situés dans une région trapézoïdale. Lesdits canaux sont des « microcanaux d’évaporation » présentant une section transversale inférieure à 100 pm . Toutefois, l’évaporateur classique ne se prête pas à de grandes performances évaporatoires, car il se produit alors une génération de vapeur non constante. En particulier un faible flux de masse du liquide entraîne une formation de « bulles de vapeur », qui empêchent une évaporation efficiente.
De par le brevet US-4 470 455, l’on connaît un conduit tubulaire à liquide destiné à un échangeur de chaleur et constitué d’une paire de platines dont les zones marginales sont reliées de manière à créer une enveloppe d’agent de refroidissement, entre des régions médianes desdites platines, en vue d’un écoulement traversant. Sur chaque platine, des conduits collecteurs d’admission et de sortie du liquide sont formés par des agencements allongés, décalés vers l’extérieur. Des rangées de nervures séparées sont ménagées entre lesdits conduits collecteurs, suivant une configuration similaire, sachant que chaque nervure est inclinée vis-à-vis du trajet d’écoulement entre les répartiteurs, et que chaque rangée s’étend transversalement par rapport à la perpendiculaire audit trajet d’écoulement. Dans chaque rangée, les nervures sont échelonnées et chevauchent d’autres nervures dans la direction de l’écoulement, de façon à empêcher un écoulement linéaire s’instaurant par toutes les rangées transversales, entre le conduit collecteur d’admission et le conduit collecteur de sortie tout en procurant, en revanche, un trajet d’écoulement linéaire discontinu ou une dérivation par le centre desdites rangées transversales, en plus de trajets d’écoulement de contournement passant en regard des extrémités desdites rangées, afin d’améliorer l’efficacité du transfert thermique sans accroître notablement la baisse de pression.
-2L’on connaît entre autres, d’après le brevet DE 101 60 834 Al, un dispositif comptant au moins deux étages de réaction, dévolu à l’évaporation et au surchauffage d’au moins un fluide, au moins un premier étage de réaction étant réalisé sous la forme d’un évaporateur (20) affecté à l’évaporation, au moins partielle, dudit fluide à présence minimale. L’évaporateur (20) comprend au moins un dispositif d’écoulement traversant, affecté au passage du fluide devant être vaporisé, ainsi qu’un dispositif de chauffage conçu pour fournir de l’énergie thermique en vue de l’évaporation, au moins partielle, du fluide parcourant ledit dispositif d’écoulement traversant, ce dernier étant couplé thermiquement audit dispositif de chauffage. Au moins un second étage de réaction, succédant à Γévaporateur (20), est par ailleurs réalisé en tant que surchauffeur (50) dévolu au surchauffage dudit fluide vaporisé. Ledit surchauffeur (50) comporte un dispositif d’écoulement traversant, dédié au passage du fluide sortant de l’évaporateur (20), et un dispositif de surchauffage destiné à fournir de l’énergie thermique en vue du surchauffage du fluide parcourant ledit dispositif d’écoulement traversant, lequel est couplé thermiquement audit dispositif de surchauffage. Pour créer un appareil performant, mais néanmoins compact, il est prévu que l’évaporateur (20) à présence minimale, et le surchauffeur (50) à présence minimale, soient formés d’un composite stratifié constitué de couches individuelles.
La présente invention a pour objet d’éliminer les inconvénients de l’art antérieur. Il convient, en particulier, de fournir un évaporateur conçu pour une gamme de puissance dans la plage des kilowatts. Un objet de l’invention consiste, en outre, à fournir un assemblage de piles à combustible équipé d’un tel évaporateur.
Conformément à l’invention, il est proposé un évaporateur comprenant un corps entouré d’un carter qui présente une entrée dévolue à l’amenée d’un liquide dans ledit carter, et une sortie affectée à la délivrance de vapeur engendrée, cet évaporateur étant caractérisé en ce que le corps dudit évaporateur inclut une multiplicité de platines disposées à plat les unes au-dessus des autres, qu’un répartiteur de liquide, conçu pour répartir le liquide sur la multiplicité de platines, est interposé entre l’entrée et ledit corps de l’évaporateur, en ce que chacune desdites platines comporte, sur une première surface, une structure répartitrice de liquide dotée de conduits répartiteurs, une surface d’évaporation et une structure collectrice de gaz, et
-3 en ce que la structure répartitrice de liquide présente un conduit répartiteur d’arrivée, qui se scinde en au moins deux premiers conduits répartiteurs.
Le corps de l’évaporateur inclut une multiplicité de platines disposées à plat les unes au-dessus des autres et un répartiteur de liquide, conçu pour répartir le liquide sur la multiplicité de platines, est interposé entre l’entrée et ledit corps de l’évaporateur. Chacune desdites platines comporte alors, sur une première surface, une structure répartitrice de liquide dotée de conduits répartiteurs, une surface d’évaporation et une structure collectrice de gaz. Ladite structure répartitrice, ladite surface d’évaporation et ladite structure collectrice sont délimitées par la platine respectivement voisine, si bien que des cavités ainsi formées sont en liaison fluidique, les unes avec les autres, exclusivement par l’intermédiaire du répartiteur de liquide et en aval de ladite structure collectrice de gaz.
L’évaporateur conforme à l’invention offre l’avantage de permettre d’éviter la formation de bulles de vapeur. Il peut être employé pour engendrer de la vapeur saturée ou de la vapeur surchauffée. Le liquide à vaporiser est très uniformément réparti sur les platines individuelles, et la vapeur peut s’évacuer sans entrave. La surface d’évaporation peut être de forme substantiellement rectangulaire. Grâce à la structure répartitrice de liquide, un liquide à vaporiser peut s’écouler pour l’essentiel uniformément sur ladite surface d’évaporation. La structure collectrice de gaz, implantée sur un côté de ladite surface tourné à l’opposé du répartiteur de liquide, est reliée à la sortie du carter de l’évaporateur. La vapeur engendrée est dirigée vers ladite sortie du carter par ladite structure collectrice, à partir de ladite surface d’évaporation.
Une évaporation uniforme peut également être obtenue, au moyen du répartiteur de liquide, suite à la répartition dudit liquide sur une multiplicité de platines.
La structure répartitrice de liquide est judicieusement réalisée d’un seul tenant avec la platine. Dans un agencement structurel commode, ladite structure répartitrice présente un conduit répartiteur d’arrivée, qui se scinde en au moins deux premiers conduits répartiteurs. La subdivision en au moins deux premiers conduits confère une meilleure répartition du liquide sur la surface d’évaporation. Ladite structure répartitrice peut notamment englober des conduits répartiteurs supplémentaires, procurant ainsi une structure à ramifications arborescentes.
-4La structure répartitrice de liquide débouche adéquatement dans la surface d’évaporation.
La surface d’évaporation de l’évaporateur conforme à l’invention est commodément réalisée en tant que renfoncement et/ou protubérance ménagé(e) dans, ou sur la platine. Une platine d’évaporation réalisée sous la forme d’un renfoncement offre un cadre entourant la surface d’évaporation. Cette dernière peut, en particulier, se présenter comme un évidement substantiellement rectangulaire. Ladite surface d’évaporation comporte, de préférence, une région profilée ou structurée munie d’un motif profilé ou structuré, protubérant et/ou encaissé. Dans les zones protubérantes, ledit motif vient en applique contre la platine directement sus-jacente, de sorte que lesdites zones protubérantes épousent hermétiquement la forme de ladite platine sus-jacente. La région profilée peut également n’inclure qu’une partie de la surface d’évaporation. Dans un agencement structurel judicieux, ladite surface d’évaporation comprend trois régions successives qui sont des régions mutuellement contiguës, placées les unes derrière les autres dans une première direction partant de la structure répartitrice de liquide et rejoignant la structure collectrice de gaz. De préférence, la région adjacente à ladite structure répartitrice est dépourvue de surface à motif profilé. Elle est suivie de la région profilée ou structurée munie d’un motif. Ce dernier peut se présenter, par exemple, comme un motif à chevrons, un motif à sinuosités ou un motif en zigzag. Une région, à réalisation exempte de motif, peut de nouveau s’étendre en direction de ladite structure collectrice. Ladite région à motif s’étend dans une seconde direction perpendiculaire à la première direction, de préférence sur toute la superficie.
Dans un agencement structurel de l’évaporateur conforme à l’invention, le motif profilé est un motif à chevrons. Un tel motif procure l’avantage consistant en ce que le profilage de la surface d’évaporation est intégralement ouvert, ce qui interdit une agrégation de bulles de vapeur empêchant un flux massique de liquide.
Dans un autre agencement structurel, la surface d’évaporation comprend des rainures qui présentent des zones de déviation et s’étendent dans une direction s’éloignant de la structure répartitrice de liquide, ou bien des canaux pourvus de zones de déviation. Lesdits canaux décrivent préférentiellement un tracé sinueux. Une efficacité accrue de l’évaporateur peut ainsi être obtenue.
-5Dans un autre agencement structurel, la structure collectrice de gaz comprend au moins deux conduits regroupés collecteurs de gaz, et/ou un canal de sortie de forme courbe. Ladite structure collectrice de l’évaporateur conforme à l’invention favorise une évacuation sans entrave de la vapeur engendrée.
De manière adéquate, au moins quelques-unes des platines sont munies de canaux chauffants sur une surface opposée à la première surface, ou bien lesdites platines sont de réalisation plane ou aplatie sur ladite surface.
Du fait de la présence de canaux chauffants à la face postérieure de la platine, un fluide caloporteur peut être guidé le long de ladite platine en vue de l’évaporation du liquide. Ces canaux sont alors en liaison fluidique par l’intermédiaire d’une entrée supplémentaire prévue dans le carter de l’évaporateur, et d’une sortie supplémentaire.
Deux platines voisines sont commodément empilées dans l’affleurement l’une de l’autre. Les bords de la structure répartitrice de liquide, de la surface d’évaporation et de la structure collectrice de gaz peuvent, en particulier, instaurer une étanchéité avec une platine occupant une position voisine, si bien que des cavités situées entre deux platines respectives sont séparées l’une de l’autre.
Conformément à l’invention, il est par ailleurs proposé un assemblage de piles à combustible comprenant au moins un évaporateur selon l’invention, un reformeur, un réacteur d’oxydation préférentielle et une pile à combustible. Ledit assemblage inclut, en particulier, un branchement en série formé de l’évaporateur, d’un reformeur, d’un réacteur de conversion eau-gaz, d’un réacteur d’oxydation préférentielle et d’une pile à combustible. Ledit reformeur, ledit réacteur de conversion eau-gaz, et ledit réacteur d’oxydation préférentielle sont des réacteurs dans lesquels le combustible vaporisé dans l’évaporateur est converti par trois réactions successives, avec adjonction d’air le cas échéant, en un combustible autre qui renferme une faible teneur en monoxyde de carbone et est rendu utilisable pour la pile à combustible. L’assemblage susmentionné est commodément conçu pour l’utilisation avec du propylène glycol. Un mélange de propylène glycol et d’eau est ainsi vaporisé dans l’évaporateur.
L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d’exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels :
-6la figure 1 est une coupe transversale schématique d’un évaporateur conforme à l’invention ;
la figure 2 illustre un premier agencement structurel d’une platine d’évaporation d’un évaporateur conforme à l’invention ;
la figure 3 est une coupe transversale, suivant la ligne ΙΙΙ-ΙΙΓ, de la platine d’évaporation selon la figure 2 ;
la figure 4 est une coupe transversale, suivant la ligne IV-IV’, de ladite platine selon la figure 2 ;
la figure 5 est une coupe transversale, suivant la ligne V-V’, de ladite platine selon la figure 2 ;
la figure 6 montre un second agencement structurel d’une platine d’évaporation ;
la figure 7 est une représentation fragmentaire, à échelle agrandie, de la platine d’évaporation conforme à la figure 6 ;
la figure 8 est une coupe transversale, suivant la ligne VIIIVlir, de la platine d’évaporation selon la figure 7 ; et la figure 9 montre un assemblage de piles à combustible conforme à rinvention.
La figure 1 illustre un évaporateur V comprenant une entrée 1, un carter 5 et une sortie 6. Un répartiteur de liquide 2, par lequel un liquide est réparti sur des platines 7, est interposé entre ladite entrée 1 et un corps 3 de Γévaporateur. Ledit répartiteur 2 revêt la forme d’une cavité 8 dans cet exemple de réalisation. Conformément à une variante d’agencement structurel, cependant, ledit répartiteur 2 peut également inclure une structure répartitrice de liquide du type en arborescence. Les platines 7 sont disposées à plat les unes au-dessus des autres, de sorte que l’empilement desdites platines 7 est visible sur la figure 1.
La figure 2 montre un agencement structurel d’une platine 7. Ladite platine 7 comporte une structure 10 répartitrice de liquide. Ladite structure répartitrice 10 présente un conduit répartiteur d’arrivée 20 qui se scinde en des premiers conduits répartiteurs 21, notamment en deux premiers conduits répartiteurs 21. En outre, chaque premier conduit 21 peut se subdiviser en des deuxièmes conduits répartiteurs 22, puis en des troisièmes conduits répartiteurs 23. Les premiers, deuxièmes et troisièmes conduits 21, 22 et 23 forment une structure du type en arborescence de façon telle que, par exemple, la section transversale d’un premier conduit 21 soit égale à la somme des deuxièmes conduits 22 bifurquant de ce
-7 dernier. Sous l’action d’une telle structure répartitrice 10, le liquide est déversé sur une surface d’évaporation 11 avec pression uniforme et vitesse régulière.
La surface d’évaporation 11 se présente comme une surface substantiellement rectangulaire. Un motif profilé 13 est ménagé sur ladite surface 11, dans une région centrale, dans une direction partant de la structure 10 répartitrice de liquide et gagnant une structure 12 collectrice de gaz. Ladite surface 11 revêt la forme d’un renfoncement pratiqué dans la platine 7. Ledit motif 13 se présente comme une structure protubérante, par exemple comme un motif à chevrons. Ledit motif à chevrons empêche le liquide de s’écouler, sans déviation, depuis ladite structure répartitrice 10 jusqu’à ladite structure collectrice 12. Ledit motif 13 forme une structure ouverte ayant pour effet de prévenir, de manière efficace, une obstruction de canaux individuels sur ladite surface d’évaporation 11.
La structure 12 collectrice de gaz inclut deux conduits 30 collecteurs de gaz. Des éléments supplémentaires constitutifs de la structure, réalisés en tant que pièces de soutien 32, sont présents dans lesdits conduits collecteurs 30.
Les conduits 30 collecteurs de gaz recueillent les gaz et débouchent dans un canal de sortie 31. Ledit canal 31 est judicieusement pourvu d’une déviation, de telle sorte que les gaz engendrés, à savoir la vapeur, soient délivrés d’un côté de la platine 7.
La figure 3 est une coupe transversale, suivant la ligne ΙΙΙ-ΙΙΓ, de la platine 7 conforme à la figure 2. L’illustration en coupe marque une intersection avec quatre deuxièmes conduits répartiteurs 22. Lesdits conduits 22 présentent, à chaque fois, la même profondeur et la même largeur.
La figure 4 est une coupe transversale, suivant la ligne IV-IV’, de la platine 7 conforme à la figure 2. Elle met en lumière la surface d’évaporation 11 encaissée, et le motif profilé 13 saillant au-delà de cette dernière. Les rainures, auxquelles ledit motif 13 donne naissance, présentent toutes la même profondeur. Les protubérances dudit motif 13 se trouvent dans le même plan que le bord de la platine 7 exempt de profilage. Cela permet d’assurer l’étanchéité de deux platines 7 placées l’une sur l’autre, notamment en direction du bord, et de leur procurer simultanément un appui, l’une contre l’autre, grâce auxdites protubérances dudit motif 13.
-8La figure 5 est une coupe transversale passant par la structure 12 collectrice de gaz. La pièce de soutien 32 intégrée dans le conduit 30 collecteur de gaz, et un bord de la platine 7, présentent la même hauteur.
La figure 6 montre un second agencement structurel d’une platine 7. A la différence de la première réalisation conforme à la figure 2, ladite platine 7 comporte un motif profilé 13 revêtant la forme de canaux sinueux 14. Un dimensionnement desdits canaux 14 se situe dans la plage d’environ 1 mm de largeur, pour une profondeur moindre. Lesdits canaux sinueux 14 s’étendent uniquement dans une région centrale de la surface d’évaporation 11.
De tels canaux 14 sont représentés, de manière fragmentaire, par-dessus sur la figure 7 et en coupe transversale sur la figure 8. Lesdits canaux 14 présentent la même profondeur.
La figure 9 illustre un assemblage de piles à combustible. Ledit assemblage se présente comme un branchement en série d’un évaporateur V suivi d’un reformeur R, d’un réacteur W de conversion eau-gaz, d’un réacteur P d’oxydation préférentielle et d’une pile à combustible B. L’évaporateur V est un évaporateur conforme aux exemples de réalisation qui précèdent. Suite au branchement en série desdits réacteurs, le combustible vaporisé dans l’évaporateur V, en particulier un mélange de propylène glycol et d’eau, est élaboré de telle sorte qu’il puisse être utilisé dans la pile B en vue de produire du courant. Ladite pile B présente une puissance de 5 kW dans cet exemple de réalisation.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l’invention telle que décrite et représentée, sans s’écarter du cadre de cette dernière.
Les parties, composantes, pièces et éléments suivants sont représentés et référencés sur les figures annexées :
: entrée de l’évaporateur : répartiteur de liquide : corps de l’évaporateur : carter de l’évaporateur : sortie de l’évaporateur : platines d’évaporation : cavité du répartiteur : structure répartitrice de liquide
11: surface d’évaporation
- 9 12 : structure collectrice de gaz : motif profilé sur la surface d’évaporation : canaux sinueux sur les platines d’évaporation : conduit répartiteur d’arrivée : premiers conduits répartiteurs : deuxièmes conduits répartiteurs : troisièmes conduits répartiteurs : conduits collecteurs de gaz : canal de sortie de la structure collectrice de gaz : pièces de soutien de la structure collectrice de gaz
B : pile à combustible
P : réacteur d’oxydation préférentielle
R : reformeur
V : évaporateur
W : réacteur de conversion eau-gaz
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Evaporateur (V) comprenant un corps (3) entouré d’un carter (5) qui présente une entrée (1) dévolue à l’amenée d’un liquide dans ledit carter (5), et une sortie (6) affectée à la délivrance de vapeur engendrée, évaporateur (V) caractérisé en ce que le corps (3) dudit évaporateur inclut une multiplicité de platines (7) disposées à plat les unes au-dessus des autres, qu’un répartiteur de liquide (2), conçu pour répartir le liquide sur la multiplicité de platines (7), est interposé entre l’entrée (1) et ledit corps (3) de l’évaporateur, en ce que chacune desdites platines (7) comporte, sur une première surface, une structure (10) répartitrice de liquide dotée de conduits répartiteurs (20, 21, 22), une surface d’évaporation (11) et une structure (12) collectrice de gaz, et en ce que la structure (10) répartitrice de liquide présente un conduit répartiteur d’arrivée (20), qui se scinde en au moins deux premiers conduits répartiteurs (21).
  2. 2. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la structure (10) répartitrice de liquide est réalisée d’un seul tenant avec la platine (7).
  3. 3. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la structure (10) répartitrice de liquide débouche dans la surface d’évaporation (11).
  4. 4. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface d’évaporation (11) est réalisée en tant que renfoncement ou protubérance ménagé(e) dans, ou sur la platine (7).
  5. 5. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface d’évaporation (11) comporte une région profilée ou structurée munie d’un motif profilé ou structuré (13), protubérant et/ou encaissé.
  6. 6. Evaporateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le motif profilé (13) est un motif à chevrons.
  7. 7. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface d’évaporation (11) comprend des rainures qui présentent des zones de déviation et s’étendent
    - 11 dans une direction s’éloignant de la structure (10) répartitrice de liquide, ou bien des canaux (14) pourvus de zones de déviation.
  8. 8. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les canaux (14) décrivent un tracé sinueux.
  9. 9. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la structure (12) collectrice de gaz comprend au moins deux conduits regroupés (30) collecteurs de gaz, et/ou un canal de sortie (31) de forme courbe.
  10. 10. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu’au moins quelques-unes des platines (7) sont de réalisation plane sur une surface opposée à la première surface, ou sont munies de canaux chauffants.
  11. 11. Evaporateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que deux platines (7) voisines sont empilées dans l’affleurement l’une de l’autre.
  12. 12. Evaporateur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que des bords de la structure (10) répartitrice de liquide, de la surface d’évaporation (11), et de la structure (12) collectrice de gaz, instaurent une étanchéité avec une platine (7) occupant une position voisine.
  13. 13. Assemblage de piles à combustible, comprenant au moins un évaporateur (V) conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 12, un reformeur (R), un réacteur (P) d’oxydation préférentielle et une pile à combustible (B).
  14. 14. Assemblage de piles à combustible conforme à la revendication 13, conçu pour l’utilisation avec du propylène glycol.
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