FR3088938A1 - Compresseur à état solide et procédé pour fournir une contre-pression sur un empile-ment de cellules de compresseur à l'état solide - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un compresseur à état solide pour comprimer électrochimiquement un fluide, comprenant : un empilement de cellules de compresseur, comprenant au moins une cellule de compresseur ayant un ensemble membrane-électrodes pris en sandwich entre deux plaques de cellule, une enceinte, fixant l'empilement de cellules de compresseur sur ses côtés opposés, et au moins un corps de contact, interposé entre l'empilement de cellules de compresseur et l'enceinte et en contact avec une surface extérieure de l'empilement de cellules de compresseur, dans lequel un espace est contenu entre l'enceinte et le corps de contact, lequel espace est configuré pour contenir un fluide hydraulique sous pression. L'invention concerne en outre un procédé de fonctionnement d'un tel compresseur à état solide.
Description
Description
Titre de l'invention : Compresseur à état solide et procédé pour fournir une contre-pression sur un empilement de cellules de compresseur à l'état solide [0001] La présente invention concerne un compresseur à état solide pour la compression électrochimique d'un fluide. L'invention concerne en outre une enceinte pour un compresseur à état solide et un mécanisme d’ajustement de pression à utiliser dans un compresseur à état solide. L'invention concerne en outre un procédé de fonctionnement d'un compresseur à état solide selon l'invention.
[0002] Alors que les compresseurs mécaniques conventionnels utilisent des moyens mécaniques tels que des pistons ou des rotors pour la compression d'un fluide, les compresseurs à état solide reposent sur le transport électrochimique dudit fluide à travers une membrane en utilisant un mécanisme de transport ionique. Afin de comprimer le fluide de travail d'une manière électrochimique, un compresseur à solide comprend typiquement une cellule de compresseur qui est constituée d'un ou plusieurs ensembles membrane-électrodes empilés (également connus sous le nom de MEA, en anglais « membrane electrode assembly »). Les électrodes du MEA sont connectées à une alimentation électrique pour maintenir une différence de potentiel électrique entre les électrodes. Cette différence de potentiel est nécessaire pour déplacer électrochimiquement le fluide de travail ionisé à travers la membrane d’échange de protons (communément appelée PEM, en anglais « proton exchange membrane ») contre le gradient de pression qui existe à travers la membrane. La direction du courant électrique détermine ainsi la direction du transport ionique, dans lequel le fluide de travail à basse pression est ionisé à l'anode chargée positivement et est recombiné avec les électrons séparés du côté de la cathode à haute pression du MEA.
[0003] Le compresseur électrochimique d'hydrogène est un compresseur à état solide communément connu, dans lequel l'hydrogène est amené à la cellule du compresseur et oxydé en protons et en électrons. Les protons sont ensuite entraînés à travers la membrane et les électrons sont transférés par un circuit externe, après quoi les protons et les électrons sont réduits en hydrogène moléculaire. Dans ce processus, l'hydrogène se déplace contre un gradient de pression d'une zone de basse pression à une zone de haute pression, ce qui entraîne une augmentation de la pression à travers la membrane. La compression d'autres fluides de travail, tels que l'eau ou l'ammoniac, est également possible.
[0004] Les compresseurs à état solide présentent un certain nombre d'avantages significatifs par rapport aux compresseurs mécaniques. En effet, les compresseurs à état solide n'ont pas de pièces mobiles et sont généralement de conception compacte. En outre, les compresseurs à état solide permettent de comprimer des fluides à des pressions très élevées, jusqu'à 1000 bars et plus, avec des rendements de fonctionnement supérieurs à ceux des compresseurs mécaniques. La compression électrochimique présente un autre avantage : elle permet de purifier le fluide de travail, car la membrane ne permet de transporter que le fluide de travail ionisé.
[0005] Lors du processus de compression du fluide de travail, il existe des différences de pression très élevées sur les différents côtés de la cellule de compresseur. Pour maintenir ces différences de pression et obtenir une étanchéité suffisante de la cellule de compresseur, il faut exercer une contre-pression suffisamment importante sur la cellule de compresseur. Pour ce faire, la cellule de compresseur est généralement fixée entre deux brides maintenues ensemble par une série de boulons qui s'engagent dans les brides près de leurs bords périphériques.
[0006] Un inconvénient de cette structure de fixation est qu'en raison des pressions élevées dans la cellule de compresseur, la cellule de compresseur exerce une force de pression de gaz uniformément répartie sur les brides. Par conséquent, les brides auront tendance à se courber en leur centre, loin du point d'engagement de l'ensemble des boulons qui maintiennent les brides ensemble. Cela entraîne un mauvais contact électrique dans la partie centrale de la cellule de compresseur ou même la rupture des internes de la cellule.
[0007] Un autre problème de la structure de fixation décrite ci-dessus est causé par la contraction et la dilatation de la cellule de compresseur en raison des effets thermiques et de pression qui se produisent lors de la compression électrochimique du fluide de travail, ce qui fait varier la pression d'étanchéité et de contact entre la cellule de compresseur et les brides respectives. En raison de cette variation de pression et du mouvement continu de la cellule de compresseur pendant la dilatation et la contraction, les ensembles boulonnés se desserrent progressivement au fil du temps. Cela provoque des fuites et nécessite une inspection et un resserrage réguliers des ensembles boulonnés.
[0008] La présente invention a pour objet de fournir une solution pour au moins un des inconvénients mentionnés ci-dessus.
[0009] La présente invention propose un compresseur à état solide pour comprimer électrochimiquement un fluide, comprenant : un empilement de cellules de compresseur, comprenant au moins une cellule de compresseur ayant un ensemble membraneélectrodes pris en sandwich entre deux plaques de cellule, une enceinte, fixant l'empilement de cellules de compresseur sur ses côtés opposés, et au moins un corps de contact, interposé entre l'empilement de cellules de compresseur et l'enceinte et en contact avec une surface extérieure de l'empilement de cellules de compresseur, dans lequel un espace est contenu entre l'enceinte et le corps de contact, lequel espace est configuré pour contenir un fluide hydraulique sous pression.
[0010] Le compresseur à état solide peut être un compresseur d'hydrogène électrochimique, mais peut également être configuré pour comprimer d'autres fluides de travail tels que l'eau ou l'ammoniac. Le principe de fonctionnement de ces compresseurs à état solide est le même, c'est-à-dire qu'ils compriment le fluide de travail en laissant passer le fluide de travail à travers un ensemble membrane-électrodes qui fait partie d'une cellule de compresseur. La cellule de compresseur peut ainsi faire partie d'un empilement de cellules de compresseur comprenant plusieurs cellules de compresseur. Chacune des cellules de compresseur comprend donc un ensemble membraneélectrodes qui est fixé entre deux plaques de cellule, dans lequel les plaques de cellule servent à séparer et à supporter les différents ensemble membrane-électrodes ainsi qu'à fournir le fluide de travail à l'ensemble membrane-électrodes et à guider le fluide de travail loin de celui-ci.
[0011] Cependant, l'invention ne concerne pas explicitement un électrolyseur ou tout autre appareil similaire pour changer H20 en H2 et O. L'appareil selon l'invention est un appareil pour recevoir H2 avec une basse pression et pour délivrer H2 avec une haute pression. L'empilement de cellules de compresseur comprend une surface extérieure qui est orientée à l'opposé du au moins un ensemble membrane - électrodes contenu dans celui-ci. Afin de compenser les pressions internes dans l'empilement de cellules de compresseur pendant le fonctionnement du compresseur à état solide, l'enceinte qui fixe l'empilement de cellules est configurée pour exercer une contre-pression sur l'empilement de cellules au moins égale et généralement supérieure à cette pression interne dans l'empilement de cellules de compresseur. Ladite contre-pression est ainsi exercée sur la surface extérieure de l'empilement de cellules de compresseur par l'intermédiaire d'une entité d'interface sous la forme d'un corps de contact. Le corps de contact est en contact, et en particulier en contact total, avec la surface extérieure de l'empilement de cellules de compresseur, laquelle surface extérieure est dans un cas commun formée par une plaque de cellule la plus extérieure de l'empilement de cellules. Cela permet au corps de contact de transmettre efficacement les forces exercées par l'empilement de cellules de compresseur sur l’enceinte et vice versa.
[0012] Comme un espace est contenu entre l’enceinte et le corps de contact, la contrepression fournie par l’enceinte n'est cependant pas exercée directement sur le corps de contact. Au lieu de cela, un fluide hydraulique sous pression est contenu dans l'espace susmentionné et est ainsi interposé entre l’enceinte et le corps de contact. Les forces exercées par l'enceinte sur l'empilement de cellules de compresseur sont ainsi transmises à la fois par le corps de contact et par le fluide hydraulique.
[0013] Un avantage majeur de cette construction est qu'un contact et une distribution de pression uniformes sur le corps de contact et par conséquent sur (la surface extérieure de) l'empilement de cellules de compresseur est obtenu à tout moment. Même si l'enceinte elle-même peut se plier ou se déformer sous les fortes pressions régnant dans l'empilement de cellules de compresseur, le compresseur, selon la présente invention, est capable, grâce à l'espace contenant le fluide hydraulique sous pression, de maintenir une contre-pression uniformément répartie / distribuée sur le corps de contact et l'empilement de cellules de compresseur. Cela résout ainsi le problème du mauvais contact électrique dans la partie centrale de l'empilement de cellules de compresseur et de la rupture éventuelle des internes de la cellule.
[0014] Un avantage supplémentaire de laisser l'enceinte exercer la contre-pression nécessaire sur l’empilement de cellules de compresseur par l'intermédiaire du corps de contact et du fluide hydraulique sous pression est que, dans le cas où la contre-pression sur l’empilement de cellules dépasse la pression interne de l’empilement de cellules du compresseur, le relâchement progressif des connexions entre les différentes parties de l'enceinte qui poussent l'enceinte ensemble, permettant à l'enceinte de comprimer l’empilement de cellules, n'a pas d'effet immédiat sur l'intégrité de l’empilement de cellules. Dans le cas d'une connexion directe entre l’empilement de cellules et l'enceinte, le relâchement des connexions et un déplacement relatif consécutif des différentes parties de l'enceinte entraînera une perte de contact entre l'enceinte et l’empilement de cellules de compresseur, provoquant ainsi une fuite de l’empilement de cellules. Le fluide hydraulique sous pression maintiendra cependant un contact uniforme avec le corps de contact au seul prix d'une légère diminution de la pression hydraulique dans le cas où les connexions entre les différentes parties de l'enceinte se desserrent au point de provoquer un certain déplacement des parties de l'enceinte, augmentant ainsi le volume de l'espace dans une faible mesure.
[0015] Dans un mode de réalisation avantageux du compresseur à état solide selon la présente invention, le compresseur à état solide comprend un mécanisme d’ajustement de pression configuré pour ajuster ou régler la pression du fluide hydraulique contenu dans l'espace. Il est cependant également possible que l'espace entre l'enceinte et le corps de contact soit fixe en volume et qu'une quantité fixe de fluide hydraulique sous pression soit contenue dans ledit espace. Dans ce cas, le fluide hydraulique est mis sous pression à une pression fixe. Cette pression doit cependant viser à compenser la pression interne la plus élevée possible de l'empilement de cellules de compresseur. Le compresseur, y compris l'empilement de cellules et l'enceinte, doit donc constamment supporter des pressions égales ou supérieures à la pression interne la plus élevée possible pour laquelle l'empilement de cellules de compresseur est conçu.
[0016] La possibilité d’ajuster la pression du fluide hydraulique contenu dans l'espace entre l'enceinte et le corps de contact permet de choisir des contre-pressions supérieures à la pression de fonctionnement actuelle à l'intérieur du bloc cellulaire et donc d'assurer l'étanchéité nécessaire. Cependant, ces contre-pressions peuvent maintenant être choisies plus basses que la pression interne la plus élevée possible de l'empilement de cellules de compresseur car la pression du fluide hydraulique et donc la contre-pression peuvent être augmentées avec l'augmentation des pressions de fonctionnement de l'empilement de cellules.
[0017] Le mécanisme d’ajustement de pression peut être configuré de manière à ajuster la pression du fluide hydraulique en fonction de la pression régnant d’un côté cathode d'au moins un ensemble membrane-électrodes. Le côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes est le côté où le fluide de travail est comprimé. Une augmentation de la pression interne de l'empilement de cellules comme celle régnant du côté cathode nécessitera dans la plupart des cas une pression de fluide hydraulique plus élevée pour fournir la contre-pression nécessaire et ainsi assurer une étanchéité appropriée de l'empilement de cellules du compresseur. Dans le cas où la pression du fluide hydraulique est contrôlée sur la base d'une pression régnant du côté cathode d'au moins un ensemble membrane-électrodes, on peut s'assurer que la contre-pression fournie par le fluide hydraulique sous pression est automatiquement égale ou supérieure à la pression interne de l'empilement de cellules.
[0018] Pour assurer en outre l'étanchéité et l'intégrité de l'empilement de cellules de compresseur, le mécanisme d’ajustement de pression peut être configuré pour maintenir un rapport fixe entre la pression régnant du côté cathode du au moins un ensemble membrane-électrodes et la pression du fluide hydraulique. Il est donc préférable que la pression du fluide hydraulique soit plus élevée, de préférence entre 1,5 fois et 2,5 fois plus élevée, et plus préférablement 2 fois plus élevée que la pression régnant sur le côté cathode du au moins un ensemble membrane-électrodes. On obtient ainsi un contrôle dynamique de la pression hydrostatique à l'intérieur de l'espace contenu entre l'enceinte et le corps de contact.
[0019] Dans un autre mode de réalisation du compresseur à état solide selon l'invention, l'espace contenu entre l'enceinte et le corps de contact est relié hydrauliquement à un réservoir de fluide hydraulique. Le réservoir augmente efficacement le volume total de fluide hydraulique qui agit pour fournir la contre-pression exercée sur le corps de contact et simultanément sur la surface extérieure de l’empilement de cellules de compresseur. Dans le cas d'une fuite de fluide hydraulique où une partie du fluide hydraulique s'échappe, l'augmentation du volume de fluide hydraulique assurera une diminution de la chute de pression. Il est donc moins probable qu'une fuite de fluide hydraulique provoque immédiatement une chute de pression à un niveau inférieur à celui de la pression interne de l'empilement de cellules. De plus, la présence d'un réservoir de fluide hydraulique permet d'accéder au fluide hydraulique contenu dans le réservoir et à l'espace contenu entre l'enceinte et le corps de contact, à l'écart de l'empilement de cellules de compresseur lui-même.
[0020] Comme moyen possible d'ajuster la pression de fluide hydraulique dans l'espace, la combinaison du corps de contact et de l'empilement de cellules de compresseur peut être reliée de façon mobile à l'enceinte de sorte qu'elle soit déplaçable par rapport à l'enceinte. De cette façon, l'espace contenu entre l'enceinte et le corps de contact peut être modifié en volume, ce qui permet d’ajuster la pression qui règne dans le fluide hydraulique. Dans le cas où l'espace est hydrauliquement relié à un réservoir de fluide hydraulique, le réservoir de fluide hydraulique peut en alternative ou en plus avoir un volume variable afin de changer le volume total du système fermé comprenant l'espace hydrauliquement relié et le réservoir de fluide hydraulique, ajustant ainsi le degré de compression du fluide hydraulique et par conséquent la quantité de contre-pression exercée sur l'empilement de cellules de compresseur. Le mécanisme d’ajustement de pression peut ainsi être configuré pour ajuster le volume du réservoir de fluide hydraulique susmentionné.
[0021] Pour ajuster le volume du réservoir de fluide hydraulique, le mécanisme d’ajustement de pression peut comprendre un piston de déplacement, comprenant une première surface de tête de piston en contact avec le réservoir de fluide hydraulique, pour modifier le volume du réservoir de fluide hydraulique lors du déplacement de la tête de piston. Le piston de déplacement est typiquement contenu dans un boîtier, le boîtier encerclant la tête de piston de manière étanche aux fluides. Le boîtier se raccorde à ou se fond dans une paroi du réservoir de fluide hydraulique, de sorte que la première tête de piston est en interface avec le fluide hydraulique. Lorsque le piston de déplacement est déplacé vers l'intérieur en direction du réservoir de fluide hydraulique, le volume du réservoir de fluide hydraulique est réduit effectivement, le fluide hydraulique contenu dans celui-ci étant comprimé davantage. Lorsque le piston de déplacement est déplacé vers l'extérieur depuis le réservoir de fluide hydraulique, le volume du réservoir de fluide hydraulique est effectivement augmenté, le fluide hydraulique qu'il contient étant alors moins comprimé.
[0022] Le piston de déplacement peut également comprendre une deuxième surface de tête de piston opposée à la première surface de tête de piston, laquelle deuxième surface de tête de piston est en contact avec un réservoir de fluide sous pression pour modifier le volume du réservoir de fluide sous pression lors du déplacement de la tête de piston. Tout comme la première tête de piston, la deuxième tête de piston peut être contenue dans un boîtier, le boîtier encerclant la tête de piston de manière étanche aux fluides et se raccordant à ou se fondant dans une paroi, dans ce cas du réservoir de fluide sous pression. Lorsque le piston de déplacement est déplacé vers l'intérieur en direction du réservoir de fluide sous pression, le volume du réservoir de fluide sous pression est ef fectivement réduit, le fluide sous pression qui y est contenu étant plus comprimé. Lorsque le piston de déplacement est déplacé vers l'extérieur depuis le réservoir de fluide sous pression, le volume du réservoir de fluide sous pression est augmenté, le fluide sous pression contenu dans celui-ci étant comprimé dans une moindre mesure. Comme la première et la deuxième tête de piston font partie du même piston, un mouvement vers l'intérieur de la première tête de piston entraînera un mouvement vers l'extérieur de la deuxième tête de piston et vice versa. Avec ce mouvement simultané des têtes de piston, les volumes des réservoirs sont réglés en dépendance les uns des autres, ce qui permet d'équilibrer les pressions régnant dans le réservoir de fluide hydraulique et dans le réservoir de fluide sous pression.
[0023] Il est particulièrement avantageux que le côté cathode d'au moins un ensemble membrane-électrodes soit relié au réservoir de fluide sous pression, ce qui fait que le fluide dans le réservoir de fluide sous pression se trouve sous la même pression que le fluide de travail comprimé du côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes. Dans un mode de réalisation possible, la liaison entre le côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes et le réservoir de fluide sous pression est une liaison fluidique, dans laquelle le fluide contenu dans le réservoir de fluide sous pression est en fait le même que le fluide de travail mis sous pression par le compresseur à état solide. L'avantage d'une telle liaison fluidique entre le côté cathode de l'ensemble membraneélectrodes et le réservoir de fluide sous pression est que la pression du fluide hydraulique et donc la contre-pression sur l'empilement de cellules de compresseur est automatiquement ajustée en fonction de la pression interne de l'empilement de cellules.
[0024] Avec la liaison fluidique, un changement de pression du côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes provoque un changement similaire de la pression du fluide dans le réservoir de fluide sous pression. Comme les deux têtes de piston opposées mais déplaçables de manière dépendante du piston de déplacement sont en contact respectivement avec le réservoir de fluide hydraulique et avec le réservoir de fluide sous pression, le changement de pression dans le réservoir de fluide sous pression entraînera le déplacement du piston de déplacement, modifiant ainsi la pression dans le réservoir de fluide hydraulique simultanément. Etant donné que l'espace contenu entre l'enceinte et le corps de contact est relié hydrauliquement à un réservoir de fluide hydraulique, la pression de fluide hydraulique contenu dans l'espace changera également, ce qui influencera la quantité de contre-pression exercée sur l’empilement de cellules de compresseur par l'intermédiaire du corps de contact.
[0025] Afin d'obtenir un rapport de pression fixe entre les pressions régnant dans le réservoir de fluide hydraulique et le réservoir de fluide sous pression, les aires de surface de la première surface de tête de piston et de la deuxième surface de tête de piston peuvent différer l'une de l'autre. En particulier, le rapport entre les aires de surface de la première surface de tête de piston et de la deuxième surface de tête de piston qui sont en contact avec le fluide hydraulique et le fluide sous pression détermine le rapport des pressions régnant dans le réservoir de fluide hydraulique et le réservoir de fluide sous pression. En d'autres termes, les forces appliquées sur les têtes de piston perpendiculairement à leurs surfaces en interface avec les fluides sous pression sont égales à la pression multipliée par leurs aires de surface. En choisissant les aires de surface de la première surface de tête de piston et de la deuxième surface de tête de piston en fonction de la différence de pression souhaitée entre le réservoir de fluide hydraulique et le réservoir de fluide sous pression, la contre-pression relative exercée sur l'empilement des cellules de compression peut ainsi être contrôlée automatiquement et dynamiquement.
[0026] Dans encore un autre mode de réalisation du compresseur à état solide selon l'invention, le compresseur à état solide comprend deux corps de contact, chacun interposé entre l'enceinte et un côté différent de deux côtés opposés de l'empilement de cellules de compresseur, dans lequel un espace est contenu entre l'enceinte et les corps de contact respectifs, lesquels espaces sont configurés pour contenir un fluide hydraulique sous pression. Un avantage de ce mode de réalisation est que le fluide hydraulique contenu dans les deux espaces permet d'obtenir un contact et une distribution de pression uniformes sur les corps de contact. La pression du fluide hydraulique contenu dans l'un ou l'autre de ces espaces peut être ajustée par un mécanisme d’ajustement de pression selon l'un des modes de réalisation décrits précédemment.
[0027] Afin de créer un système d'auto-équilibrage, les corps de contact peuvent être encastrés de manière mobile dans l'enceinte de telle sorte que le volume des espaces entre l'enceinte et les corps de contact respectifs change lors d'un mouvement des corps de contact par rapport à l'enceinte. Comme les corps de contact sont en contact avec des côtés opposés de l'empilement de cellules de compresseur, l'empilement de cellules se déplacera en même temps que les corps de contact. Ce mouvement de la combinaison des corps de contact et de l'empilement de cellules à l’intérieur de l'enceinte permet d'équilibrer les pressions du fluide hydraulique respectivement contenu dans chacun des espaces. Dans le cas où la pression du fluide hydraulique dans l'un des espaces est modifiée, par exemple au moyen d'un mécanisme d’ajustement de pression tel que décrit dans l'un des modes de réalisation précédemment discutés, les corps de contact et l'empilement de cellules se déplacent à l'intérieur de l'enceinte, modifiant ainsi le volume des espaces et égalisant les pressions régnant dans chacun des espaces.
[0028] Comme autre moyen de créer un système d'auto-équilibrage, les espaces entre l'enceinte et les corps de contact peuvent être reliés hydrauliquement les uns aux autres. De cette façon, la pression dans chacun des espaces sera aussi maintenue égale.
[0029] Dans un mode de réalisation particulier, l'enceinte peut comprendre deux brides opposées et interconnectées qui s'accrochent respectivement autour de chacun des corps de contact, encerclant ainsi entièrement une surface desdits corps de contact opposée à la surface en contact avec une surface extérieure de Γempilement de cellules de compresseur. Un avantage de l'encerclement total de cette surface des corps de contact est qu'aucun contact direct n'est établi entre l'enceinte (les brides) et les surfaces des corps de contact sur lesquelles s'exercent les forces de compression. Au lieu de cela, les surfaces sont entièrement en contact avec le fluide hydraulique, ce qui assure une distribution ou répartition uniforme de la pression sur celles-ci. Dans un cas courant, les brides s'agrippent autour de chacun des corps de contact suffisamment loin pour permettre aux corps de contact de se déplacer par rapport aux brides tout en conservant une étanchéité aux fluides entre les brides et les corps de contact.
[0030] Il est possible que les brides opposées soient reliées entre elles par une connexion précontrainte en tension, qui pousse les brides opposées l'une vers l'autre de telle sorte que le fluide hydraulique contenu dans les espaces est comprimé. Par la compression du fluide hydraulique, la connexion introduit simultanément une précontrainte de compression dans l'empilement de cellules de compresseur fixées. La précontrainte est généralement choisie de manière à être égale ou supérieure à la pression la plus élevée possible sous laquelle l'empilement de cellules de compresseur est conçu pour fonctionner.
[0031] Les brides opposées peuvent être reliées entre elles par un ou plusieurs joints boulonnés. Afin de contrecarrer les effets du finage et du desserrage des ensembles boulonnés, ce qui entraîne une perte de la précontrainte initiale des ensembles boulonnés, une ou plusieurs rondelles Belleville peuvent être placées entre au moins une des brides et une tête de boulon ou un écrou de l'ensemble boulonné.
[0032] L'invention concerne également un ensemble d'une enceinte et d'au moins un corps de contact pour un compresseur à état solide selon l'invention. L'invention concerne en outre un mécanisme d'ajustement de pression pour ajuster la pression dans un fluide hydraulique contenu dans un espace contenu entre une enceinte et un corps de contact d'un compresseur à état solide selon l'invention. Les spécificités ainsi que les avantages de l'ensemble et du mécanisme d’ajustement de pression sont déjà décrits en détail en relation avec les différents modes de réalisation possibles du compresseur à état solide selon l'invention.
[0033] Enfin, l'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un compresseur à état solide selon l'invention, comprenant l'introduction d'un fluide hydraulique sous pression dans l'espace entre l'enceinte et le corps de contact. Le procédé peut en outre comprendre l'ajustement de la pression dans le fluide hydraulique. La pression dans le fluide hydraulique peut ainsi être ajustée en fonction de la pression régnant sur un côté cathode du au moins un ensemble membrane-électrodes. Il est possible de maintenir un rapport fixe entre la pression régnant du côté cathode de l'ensemble membraneélectrodes et la pression du fluide hydraulique. La pression dans le fluide hydraulique peut dans ce cas être maintenue plus élevée, de préférence entre 1,1 fois et 2,5 fois plus élevée, et plus préférablement 2 fois plus élevée que la pression régnant du côté cathode de l'au moins un ensemble membrane-électrodes. Les spécificités ainsi que les avantages de l'un ou l'autre de ces procédés pour le fonctionnement d'un compresseur à état solide sont déjà décrits en détail en ce qui concerne les différents modes de réalisation possibles du compresseur à état solide selon l'invention.
[0034] Afin d'élucider davantage l'invention, des modes de réalisation seront décrits à titre d’exemples non limitatifs en référence aux figures, parmi lesquelles :
[0035] [fig. 1] la figure 1 montre une vue en perspective d'un compresseur à état solide selon l'invention, [0036] [fig.2] la figure 2 montre une vue éclatée sur le compresseur à état solide de la figure
1, et [0037] [fig.3] La figure 3 montre une vue en coupe schématique d'un compresseur à état solide selon l'invention.
[0038] Les figures représentent des modes de réalisation à titre d’exemples spécifiques de l'invention et ne devraient pas être considérées comme limitant l'invention de quelque façon ou forme que ce soit. Tout au long de la description et des figures, les numéros de référence correspondants sont utilisés pour des éléments correspondants.
[0039] Les figures 1 et 2 montrent respectivement une vue en perspective et une vue éclatée sur un compresseur à état solide 1 selon l'invention. Le compresseur à état solide 1 comprend un empilement de cellules de compresseur 2 comprenant des ensemble membrane-électrodes multiples 3 pris en sandwich entre des plaques de cellule 4. Les plaques les plus extérieures 5 de chaque pile de cellules 2 sont généralement formées par des plaques collectrices de courant pour servir de passage pour connecter électriquement les électrodes à une source d'alimentation. L’empilement de cellules de compresseur 2 est, sur les côtés opposés, fixée entre une enceinte 6 qui maintient une pression sur l’empilement de cellules 2. Le boîtier 6 illustré comprend deux brides 7 qui sont interconnectées près de leurs bords périphériques par un ensemble de joints boulonnés formés par des boulons 8 et des écrous 9. Entre les surfaces extérieures opposées 10 de l'empilement de cellules 2 et l’enceinte 6 sont interposés deux corps de contact 11 qui sont en contact avec lesdites surfaces extérieures 10. Comme on peut le voir sur la figure 3 explicitée ci-après, un espace est contenu entre chacune des brides 7 et des corps de contact 11, lequel espace contient un fluide hydraulique sous pression. Afin d'alimenter en fluide hydraulique ou de rétracter le fluide hydraulique de cet espace, les corps de contact 11 sont munis sur leurs côtés d'ouvertures d'alimentation en fluide hydraulique 12.
[0040] La figure 3 montre une vue en coupe schématique d'un compresseur à état solide 20 selon l'invention. Ici aussi, un empilement de cellules de compresseur 21 est illustré, dont deux surfaces extérieures opposées 22 sont fixées entre deux corps de contact 23. La combinaison de l'empilement de cellules 21 et des corps de contact 23 est contenue dans une enceinte 24, comprenant deux brides opposées 25 reliées entre elles au moyen de joints boulonnés 26. Les brides 25 entourent ainsi chacun des corps de contact 23, encerclant complètement les surfaces des corps de contact opposées aux surfaces en contact avec les surfaces extérieures 22 de l'empilement de cellules 21. Entre les brides 25 et les corps de contact 23, des espaces 27 sont contenus, qui contiennent un fluide hydraulique sous pression 28. Des joints 29 sont prévus entre les côtés des brides 25 et les corps de contact 23 afin d'obtenir un volume fermé capable de contenir le fluide hydraulique sous pression 28. L'espace supérieur des espaces 27 est relié hydrauliquement à un réservoir de fluide hydraulique 30 au moyen d'une ligne de fluide hydraulique 31. L'espace inférieur des espaces 27 est dans ce mode de réalisation représenté du compresseur à état solide qui n'est ni relié hydrauliquement à un réservoir de fluide hydraulique, ni relié hydrauliquement à l'espace supérieur. Ainsi, un système de compensation de pression passif est obtenu sur le côté inférieur du compresseur à état solide 20. Les dernières variations mentionnées sont cependant dans la portée de l'invention.
[0041] Le volume du réservoir de fluide hydraulique 30 est variable grâce à un mécanisme d’ajustement de pression 32 comprenant un piston de déplacement 33. Le piston de déplacement 33 est mobile à l’intérieur du boîtier de piston 34 et comporte une première surface de tête de piston 35 qui est en contact direct avec le fluide hydraulique 28 contenu dans le réservoir de fluide hydraulique 30. Le piston de déplacement comprend en outre une deuxième surface de tête de piston 36 opposée à la première surface de tête de piston 35, laquelle deuxième surface de tête de piston 36 est en contact direct avec un fluide sous pression 37 contenu dans un réservoir de fluide sous pression 38. Etant donné que les première et deuxième surfaces de tête de piston 35, 36 font partie du même piston, elles effectuent un mouvement simultané, équilibrant ainsi les pressions dans le réservoir de fluide sous pression et dans le réservoir de fluide hydraulique 30,38. Le rapport entre les pressions dans les deux réservoirs dépend donc des aires de surface des surfaces de tête de piston 35, 36. Le réservoir de fluide sous pression 38 est relié au côté cathode des ensembles membrane-électrodes contenus dans l’empilement de cellules 21 par une ligne de fluide sous pression 39. Le fluide sous pression 37 contenu dans le réservoir de fluide sous pression 38 est donc le même que le fluide de travail du compresseur 20.
Claims (1)
- [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]RevendicationsCompresseur à état solide pour comprimer électrochimiquement un fluide, comprenant :un empilement de cellules de compresseur, comprenant au moins une cellule de compresseur ayant un ensemble membrane-électrodes pris en sandwich entre deux plaques de cellule, une enceinte, fixant l'empilement de cellules de compresseur sur ses côtés opposés, et au moins un corps de contact, interposé entre l'empilement de cellules de compresseur et l'enceinte et en contact avec une surface extérieure de l'empilement de cellules de compresseur, dans lequel un espace est contenu entre l'enceinte et le corps de contact, lequel espace est configuré pour contenir un fluide hydraulique sous pression. Compresseur à état solide selon la revendication 1, dans lequel le compresseur à état solide comprend un mécanisme d'ajustement de pression configuré pour ajuster la pression du fluide hydraulique contenu dans l'espace et dans lequel le mécanisme d'ajustement de pression est configuré pour ajuster la pression de fluide hydraulique sur la base d'une pression régnant sur un côté cathode du au moins un ensemble membrane - électrodes et dans lequel le mécanisme d'ajustement de pression est configuré pour maintenir un rapport fixe entre la pression régnant sur le côté cathode du au moins un ensemble membrane électrodes et la pression du fluide hydraulique, et dans lequel la pression de fluide hydraulique est plus grande, de préférence entre 1,1 fois et 2,5 fois plus grande, et plus préférablement 2 fois plus grande que la pression régnant sur le côté cathode du au moins un ensemble membrane-électrodes , et dans lequel l'espace est relié hydrauliquement à un réservoir de fluide hydraulique.Compresseur à solide selon la revendication 2, dans lequel le réservoir a un volume variable, dans lequel le mécanisme d’ajustement de pression est configuré pour ajuster le volume du réservoir de fluide hydraulique, et dans lequel le mécanisme d’ajustement de pression comprend un piston de déplacement, comprenant une première surface de tête de piston se trouvant en contact avec le réservoir de fluide hydraulique, pour modifier le volume du réservoir de fluide hydraulique lors du déplacement de la tête de piston, et dans lequel le piston de déplacement
comprend une deuxième surface de tête de piston opposée à la première surface de tête de piston, laquelle deuxième surface de tête de piston est en contact avec un réservoir de fluide sous pression pour modifier le volume du réservoir de fluide sous pression lors du déplacement de la tête de piston, et dans lequel le côté cathode du au moins un ensemble membrane - électrodes est relié au réservoir de fluide sous pression. [Revendication 4] Compresseur à état solide selon la revendication 3, dans lequel les aires de surface de la première surfaces de tête de piston et de la deuxième surfaces de tête de piston sont différentes l'une de l'autre, et dans lequel le compresseur à état solide comprend deux corps de contact, chacun étant intercalé entre l’enceinte et un côté différent parmi deux côtés opposés de l'empilement de cellules de compresseur, dans lequel un espace est contenu entre l’enceinte et les corps de contact respectifs, lesquels espaces sont configurés pour contenir un fluide hydraulique sous pression, et dans lequel les corps de contact sont encastrés de manière mobile à l'intérieur de l’enceinte de telle sorte que le volume des espaces entre l’enceinte et les corps de contact respectifs change lors d'un mouvement des corps de contact par rapport à l’enceinte. [Revendication 5] Compresseur à état solide selon la revendication 4, dans lequel les espaces entre l'enceinte et les corps de contact respectifs sont reliés hydrauliquement entre eux. [Revendication 6] Compresseur à état solide selon l'une quelconque des revendications 4-5, dans lequel l'enceinte comprend deux brides opposées et interconnectées qui s'accrochent respectivement autour de chacun des corps de contact, encerclant ainsi entièrement une surface desdits corps de contact opposée à la surface en contact avec une surface extérieure de l'empilement de cellules de compresseur, et dans lequel les brides opposées sont mutuellement connectées par l'intermédiaire d'une connexion précontrainte en tension, laquelle précontrainte pousse les brides opposées l'une vers l'autre de sorte que le fluide hydraulique contenu dans les espaces est comprimé. [Revendication 7] Compresseur à état solide selon la revendication 6, dans lequel les brides opposées sont reliées entre elles par au moins un ensemble boulonné, et dans lequel une ou plusieurs rondelles Belleville sont positionnées entre au moins l'une des brides et une tête de boulon ou un écrou de l'ensemble boulonné. [Revendication 8] Ensemble d'une enceinte et d'au moins un corps de contact pour un compresseur à état solide selon l'une quelconque des revendications pré- [Revendication 9] [Revendication 10] cédentes.Mécanisme d’ajustement de pression pour régler la pression d'un fluide hydraulique contenu dans un espace contenu entre une enceinte et un corps de contact d'un compresseur à état solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.Procédé pour faire fonctionner un compresseur à état solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant l'introduction d'un fluide hydraulique sous pression dans l'espace entre l'enceinte et le corps de contact, et dans lequel le procédé comprend en outre l'ajustement de la pression dans le fluide hydraulique, et dans lequel la pression dans le fluide hydraulique est ajustée sur la base de la pression régnant sur un côté cathode de l'au moins un ensemble membrane-électrodes, et dans lequel un rapport fixe est maintenu entre la pression régnant sur le côté cathode du au moins un ensemble membrane-électrodes et la pression dans le fluide hydraulique, et dans lequel la pression dans le fluide hydraulique est maintenue plus grande, de préférence entre 1,1 fois et 2,5 fois plus grande, et plus préférablement 2 fois plus grande que la pression régnant sur le côté cathode du au moins un ensemble membrane-électrodes.
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