FR3131461A1 - Système et procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, équipement électrochimique comprenant un tel système de régulation - Google Patents

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Abstract

Titre : Système et procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, équipement électrochimique comprenant un tel système de régulation Système de régulation, comprenant un éjecteur (2) ayant une entrée dite primaire (8) reliée à une source (9) d’un premier fluide, une entrée dite secondaire (11) reliée à une ligne fluidique de circulation d’un deuxième fluide, et une sortie (13), un dispositif de régulation (3) comprenant un clapet (20) monté mobile et une chambre principale (21) délimitée par un diaphragme (22) couplé mécaniquement au clapet (20), la chambre principale (21) étant reliée à la sortie (13), le système étant configuré de sorte à déplacer le clapet (20) vers une position fermée lorsqu’une pression de sortie (Ps) de l’éjecteur (2) est strictement supérieure à un seuil de pression (Pc). Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Système et procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, équipement électrochimique comprenant un tel système de régulation
La présente invention concerne la régulation d’une circulation d’un fluide. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse une telle régulation dans un équipement électrochimique, par exemple dans une pile à combustible.
 ETAT DE LA TECHNIQUE
Actuellement, on utilise des appareils spécifiques pour réguler la circulation d’un fluide dans des applications diverses et variées. La régulation de l’alimentation en gaz est particulièrement importante dans le domaine des piles à combustible par exemple. En effet une pile à combustible ne fournit de bonnes performances que si la réaction est homogène tout au long de la surface active. Plus précisément, la zone anodique accumule de l’oxygène provenant de la cathode par perméation, cet oxygène accumulé réagit alors avec l’hydrogène présent à l’anode pour former de l’eau. En plus de l’oxygène, des gaz inertes traversent également la membrane comme l’azote ou le dioxyde de carbone contenu dans l’air. Ces gaz empêchent la réaction de se produire à l’anode puisqu’ils occupent une partie des sites catalytiques. Pour rendre la réaction homogène à l’anode, plusieurs méthodes sont employées. Les méthodes les plus économes en hydrogène consistent majoritairement à effectuer une recirculation de l’hydrogène. Cette recirculation doit permettre d’alimenter l’anode avec une pression relativement constante en hydrogène. Cette recirculation est actuellement effectuée soit par éjecteurs, soit par re-circulateur mécanique mettant en œuvre une pompe, soit par alimentation alternée (parfois qualifiée d’alimentation ping-pong).
Les solutions basées sur des éjecteurs présentent pour avantage d’être des solutions passives. De manière parfaitement connue, un éjecteur, est un dispositif sans pièce mobile muni d’une buse placée dans un cône de sorte à provoquer une aspiration par effet Venturi. Plus précisément, l’éjecteur est alimenté par un premier fluide et tire profit de l’effet Venturi pour aspirer un deuxième fluide, à une pression plus faible que celle du premier fluide. A sa sortie l’éjecteur éjecte un mélange des premier et deuxième fluides. Dans le cadre des piles à combustible, le premier fluide est une source d’hydrogène et le deuxième fluide correspond à l’hydrogène aspiré depuis la pile pour y être réinjecté.
Par exemple, on peut citer la demande de brevet américain US 5441821 qui divulgue un système de génération de puissance électrique, comprenant une pile à combustible et un éjecteur pour fournir de l’hydrogène à l’anode. Le système comprend une recirculation de l’hydrogène de l’anode à l’éjecteur, pour créer une aspiration et un effet venturi pour faciliter la fourniture en hydrogène. Une vanne de contrôle permet d’augmenter la pression dans la circulation d’entrée quand la pression de sortie diminue au-dessous d’un certain seuil. Une vanne de contrôle est prévue pour obtenir une régulation de la pression en sortie de l’éjecteur. Ce système est complexe à utiliser, notamment lorsqu’on souhaite réguler la pression de sortie de manière rapide.
Par ailleurs, on peut citer la publication « Applications of ejectors in proton exchange membrane fuel cells (auteurs : LIU, Yang, TU, Zhengkai, et CHAN, Siew Hwa): A review. Fuel Processing Technology, 2020, p. 106683. », qui divulgue une première architecture utilisant deux éjecteurs contrôlés par une vanne à commutation, une deuxième architecture utilisant une vanne de contrôle proportionnelle, ou tout ou rien, en entrée d’un éjecteur, une troisième architecture utilisant un moteur électrique pour faire varier la géométrie d’un éjecteur à géométrie variable, et une quatrième architecture utilisant un éjecteur comprenant plusieurs buses qui peuvent commuter en fonction des besoins. Cette solution présente de nombreux inconvénients. En particulier, ces architectures nécessitent de commander les organes de contrôle des éjecteurs, notamment en utilisant des stratégies complexes de façon à obtenir une pression en sortie d’un éjecteur ayant une valeur stable souhaitée. Une autre solution utilise des pompes de recirculation électriques pour faire circuler l’hydrogène de l’anode à l’éjecteur. Ces pompes de recirculation doivent également être commandées, ce qui complexifie les systèmes et le rend moins robuste que des systèmes passifs basés sur des éjecteurs uniquement.
On peut également citer la demande de brevet français FR3061361, qui divulgue un système électrochimique, comportant une pile à combustible, une boucle de recirculation de l’hydrogène comprenant un éjecteur; et un détendeur pour maintenir la pression en entrée de l’éjecteur égale à une valeur de consigne. Cependant, la pression du fluide en sortie de l’éjecteur est variable et n’est pas suffisamment stable. Cette instabilité de la pression du fluide en sortie de l’éjecteur, et donc en entrée de la pile à combustible, conduit à une dégradation des performances de la pile à combustible.
RESUME
Un objet de l’invention consiste à pallier ces inconvénients, et plus particulièrement à fournir des moyens pour améliorer la régulation d’une circulation d’un fluide, notamment pour obtenir une régulation rapide et simple à mettre en œuvre.
Un autre objet consiste à fournir des moyens pour obtenir une circulation d’un fluide ayant une pression stable, notamment quel que soit le débit du fluide utilisé.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement.
Selon un aspect de l’invention, il est proposé un système de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant un éjecteur ayant une entrée dite primaire configurée pour être reliée à une source d’un premier fluide par une ligne fluidique d’alimentation dans laquelle le premier fluide est destiné à circuler, une entrée dite secondaire configurée pour être reliée à une ligne fluidique de circulation dans laquelle un deuxième fluide est destiné à circuler, une sortie configurée pour être reliée à une ligne fluidique de sortie dans laquelle un mélange des premier et deuxième fluides est destiné à circuler, l’éjecteur étant configuré pour générer, par un effet Venturi, une aspiration du deuxième fluide lorsque l’entrée primaire est alimentée par le premier fluide.
Le système comporte :
un dispositif de régulation d’une pression dite de sortie du mélange, le dispositif de régulation comprenant :
  • un clapet monté mobile entre une première position, fermée, dans laquelle le clapet empêche une communication fluidique entre l’entrée primaire et la source, et une deuxième position, ouverte, dans laquelle le clapet autorise une communication fluidique entre l’entrée primaire et la source, et
  • une chambre principale délimitée en partie au moins par un diaphragme couplé mécaniquement au clapet de sorte qu’un déplacement du diaphragme provoque un déplacement du clapet d’une position vers l’autre, la chambre principale étant reliée à la ligne fluidique de sortie de sorte que la pression de sortie et la chambre principale présentent les mêmes pressions.
En outre, le système est configuré de sorte à déplacer le clapet vers la première position fermée lorsque la pression de sortie du mélange est strictement supérieure à un seuil de pression et à déplacer le clapet vers la deuxième position ouverte lorsque la pression de sortie du mélange est strictement inférieure au seuil de pression.
Ainsi, on fournit un système de régulation permettant de contrôler de manière passive la pression du fluide en sortie de l’éjecteur, c’est-à-dire sans utiliser nécessairement un contrôle électronique. Avantageusement, le système permet d’obtenir un fluide en sortie de l’éjecteur ayant une pression suffisamment stable quel que soit le débit du premier fluide. Le système proposé permet ainsi d’améliorer considérablement les performances de régulation du fluide et par voie de conséquence les performances d’un équipement tel qu’une pile à combustible munie de ce système de régulation.
Selon un autre aspect, il est proposé un équipement électrochimique, comprenant au moins une pile à combustible comportant un circuit de distribution principal configuré pour distribuer un fluide principal à une électrode principale de la pile à combustible. L’équipement électrochimique comporte au moins un système de régulation tel que défini ci-avant, la sortie de l’éjecteur du système de régulation étant relié à un collecteur d’entrée du circuit de distribution principal, et l’entrée secondaire de l’éjecteur étant relié à un collecteur de sortie du circuit de distribution principal. Les performances d’une telle pile à combustible s’en trouvent considérablement améliorées.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant une fourniture d’un système de régulation tel que défini ci-avant.
Le procédé comporte un déplacement du clapet du système de régulation vers la première position fermée lorsque la pression de sortie du mélange est strictement supérieure au seuil de pression et un déplacement du clapet vers la deuxième position ouverte lorsque la pression de sortie du mélange est strictement inférieure au seuil de pression.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes de réalisation et de mise en œuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
, les figures 1 à 8, illustrent schématiquement des modes de réalisation d’un système de régulation selon l’invention ;
la , illustre schématiquement un mode de réalisation d’un équipement électrochimique ; et
la illustre, de façon schématique un autre mode de réalisation d’un système de régulation.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
 DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
- Selon un exemple, le dispositif de régulation comporte un moyen de rappel configuré pour exercer sur le clapet un effort tendant à éloigner le clapet de la première position fermée.
- Selon un exemple, le moyen de rappel comprend au moins un ressort, de préférence dans lequel le moyen de rappel est un ressort.
- Selon un exemple, le moyen de rappel est une chambre, dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme et alimentée par un fluide pilote, la pression du fluide pilote au sein de la chambre de rappel générant sur le clapet un effort tendant à éloigner le clapet de la première position fermée.
- Selon un exemple, le système comprend un ressort additionnel couplé mécaniquement au diaphragme.
- Selon un exemple, le dispositif de régulation comporte une vis de réglage d’une valeur de l’effort exercé par ledit au moins un ressort.
- Selon un exemple, le clapet est monté mobile en translation le long d’un premier axe et le dispositif de régulation comporte un organe couplé mécaniquement au diaphragme, l’organe étant monté mobile en translation le long d’un deuxième axe différent du premier axe, et le dispositif de régulation comporte un dispositif de renvoi d’angle couplé à l’organe et au clapet et configuré de sorte qu’un déplacement de l’organe selon le deuxième axe provoque un mouvement du clapet relativement à l’entrée primaire.
- Selon un exemple, le premier axe est perpendiculaire au deuxième axe.
- Selon un exemple, le clapet est configuré pour modifier une section de passage fluidique de l’entrée primaire de l’éjecteur entre la première position fermée et la deuxième position ouverte, de préférence, le clapet est configuré pour venir directement au contact de l’entrée primaire en première position fermée.
- Selon un exemple, le système comporte un détendeur ayant une entrée principale reliée à la source, une sortie reliée à l’entrée primaire, et un canal interne reliant l’entrée principale et la sortie du détendeur, le clapet étant monté mobile au sein du détendeur pour modifier une section de passage fluidique du canal interne entre la première position fermée et la deuxième position ouverte.
- Selon un exemple, l’équipement électrochimique comprend la source du premier fluide, le premier fluide étant fait ou étant à base d’hydrogène ou d’oxygène.
- Selon un exemple, le système de régulation comporte une chambre, dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme et alimentée par un fluide pilote, la pression du fluide pilote au sein de la chambre de rappel générant sur le clapet un effort tendant à éloigner le clapet de la première position fermée et l’équipement électrochimique comprend un circuit de distribution secondaire configuré pour distribuer le fluide pilote à une électrode secondaire de la pile à combustible et à la chambre de rappel de sorte que le circuit de distribution secondaire et la chambre de rappel présentent les mêmes pressions.
- Selon un exemple, l’équipement électrochimique comprend la source du premier fluide, le premier fluide étant fait ou étant à base d’hydrogène et le fluide pilote étant fait ou étant à base d’oxygène.
On entend par un fluide « à base » d’un matériau A, un fluide, comprenant ce matériau A uniquement ou ce matériau A et éventuellement d’autres matériaux. Ainsi, un fluide à base d'hydrogène est un fluide qui peut être fait uniquement d'hydrogène ou qui peut comprendre de l'hydrogène quelle que soit sa forme ainsi qu’une autre espèce.
Sur les figures 1 à 10, on a représenté un système 1 de régulation d’une circulation d’un fluide. Le système 1 comprend un éjecteur 2 et un dispositif de régulation 3.
L’éjecteur 2 a un corps 4 ayant une forme allongée, c’est-à-dire s’étendant le long d’un axe longitudinal A. L’éjecteur 2 est un dispositif, sans pièces mobiles, servant à utiliser une circulation d’un premier fluide 5 pour faire circuler un deuxième fluide 6, notamment à une pression plus faible. Les premier et deuxième fluides 5, 6 peuvent être des gaz, ou des liquides. L’éjecteur 2 comprend un conduit interne 7 adapté pour générer, par un effet Venturi, une aspiration du deuxième fluide 6 à l’aide de la circulation du premier fluide 5. Les éjecteurs peuvent être utilisés dans de nombreux domaines, par exemple pour l'extraction des fumées, l'obtention d'un vide (certains aspirateurs par exemple), ou encore sur certaines machines de climatisation. L’éjecteur 2 comprend une entrée dite primaire 8 configurée pour être reliée à une source 9 du premier fluide 5 par une ligne fluidique d’alimentation 10 dans laquelle le premier fluide 5 est destiné à circuler. En outre, l’éjecteur 2 comprend une entrée dite secondaire 11 configurée pour être reliée à une ligne fluidique de circulation 12 dans laquelle le deuxième fluide 6 est destiné à circuler. L’entrée secondaire 11 peut être équipée d’un clapet anti-retour pour éviter un refoulement du deuxième fluide 6. L’éjecteur 2 comprend également une sortie 13 configurée pour être reliée à une ligne fluidique de sortie 14 dans laquelle un mélange 15 des premier et deuxième fluides 5, 6 est destiné à circuler. Par ailleurs, le conduit interne 7 comprend une entrée reliée à l’entrée primaire 8 et une sortie 17 reliée à la sortie secondaire 11 et à la sortie 13 de l’éjecteur 2. En d’autres termes, l’éjecteur 2 permet d’aspirer le deuxième fluide 6, par effet Venturi, lorsque l’entrée primaire 8 est alimentée par le premier fluide 5. En particulier, le conduit interne 7 a un corps creux ayant au moins une partie s’évasant entre sa sortie 17 et l’entrée primaire 8 de l’éjecteur 2. On notera que lorsque la pression et/ou le débit du premier fluide 5 sont supérieurs à une valeur seuil, le conduit interne 7 permet de générer cette aspiration par effet Venturi.
Le dispositif de régulation 3 permet de réguler une pression dite de sortie Ps du mélange 15. En particulier, le dispositif de régulation 3 comprend un clapet 20, une chambre principale 21 et un diaphragme 22.
Le clapet 20 est monté mobile entre une première position dite fermée et une deuxième position dite ouverte O, comme illustré sur la . Dans la première position fermée, le clapet 20 empêche une communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9. C’est-à-dire que dans la position fermée, le premier fluide 5 provenant de la source 9 ne peut pas accéder à l’entrée primaire 8, et l’aspiration du deuxième fluide 6 est arrêtée. Inversement, dans la deuxième position ouverte O, le clapet 20 autorise une communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9. En particulier, la deuxième position O correspond à une position d’ouverture maximum dans laquelle la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 est maximum.
De façon générale, la position du clapet 20 peut varier entre la première position fermée et la deuxième position ouverte O, notamment pour faire varier une section de passage fluidique de la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9. Entre les première et deuxième positions, le clapet 20 peut occuper une position dite intermédiaire dans laquelle le clapet 20 autorise une communication fluidique dite intermédiaire entre l’entrée primaire 8 et la source 9, la communication fluidique intermédiaire ayant une section de passage fluidique inférieure à celle de la communication fluidique maximum. En d’autres termes, un changement de position du clapet 20 modifie la section de passage fluidique.
La chambre principale 21 est délimitée en partie au moins par le diaphragme 22. Le diaphragme 22 peut être une membrane flexible ou une pièce montée mobile en translation. De manière générale le diaphragme 22 est monté mobile au sein du dispositif de régulation 3. Par ailleurs, le diaphragme 22 est couplé mécaniquement au clapet 20 de sorte qu’un déplacement du diaphragme 22 provoque un déplacement du clapet 20 d’une position vers l’autre. Par exemple, le diaphragme 22 est couplé mécaniquement au clapet 20 par l’intermédiaire d’un organe 23. Dans ce cas, le diaphragme déplace le clapet 20 d’une position vers l’autre. Par exemple, l’organe 23 peut être une tige. De préférence, l’organe 23 est monté mobile sur une paroi 24 de la chambre principale 21. La paroi 24 délimite avec le diaphragme 22 au moins en partie la chambre 21. Dans cet exemple, la paroi 24 participe également au guidage en translation de l’organe 23. La chambre principale 21 comprend également une paroi 25 qui s’étend depuis la paroi 24 jusqu’au diaphragme 22. Cette paroi 25 s’étend par exemple perpendiculairement aux faces 22a, 22b du diaphragme 22. Cette paroi 25 présente au moins un orifice permettant la communication entre la sortie 13 de l’éjecteur 2 et la chambre principale 21. Cette paroi 25 peut présenter une section circulaire ou polygonale. L’organe 23 traverse la paroi 24, de manière étanche aux fluides 5, 6 par l’intermédiaire d’un joint 26 d’étanchéité aux fluides 5, 6. De façon générale, un déplacement du diaphragme 22 entraine un déplacement de l’organe 23 et du clapet 20. La chambre principale 21 est en outre reliée à la ligne fluidique de sortie 14 de sorte que la ligne fluidique de sortie 14 et la chambre principale 22 présentent les mêmes pressions. De manière générale, la chambre principale 21 est reliée, par une connexion fluidique 27, à la ligne de sortie 14 directement ou par l’intermédiaire de la sortie 13 de l’éjecteur 2 comme illustré sur les figures 1 à 10. En d’autre termes, la chambre principale 21 reçoit une partie du mélange 15 des premier et deuxième fluides 5, 6. La partie du mélange 15 des fluides 5, 6 génère une pression au sein de la chambre principale 21 égale à la pression de sortie Ps.
De façon générale, la pression Ps au sein de la chambre principale 21 génère une force sur le diaphragme 22 qui tend à déplacer le clapet 20 vers la première position fermée. En d’autres termes, lorsque la pression Ps est strictement supérieure à un seuil de pression Pc, le clapet 20 est déplacé vers la première position fermée, ce qui diminue la section de passage du premier fluide 5 de la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 et entraine une diminution de la pression de sortie Ps. Au contraire, lorsque la pression Ps est strictement inférieure au seuil de pression Pc, le clapet 20 est déplacé vers la deuxième position ouverte O, ce qui augmente la section de passage du premier fluide 5 de la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9et entraine une augmentation de la pression de sortie Ps. En particulier, lorsque la pression Ps est égale au seuil de pression Pc, le clapet 20 reste immobile, c’est-à-dire que le clapet 20 reste dans sa position. En d’autres termes, le système 1 est configuré de sorte à déplacer le clapet 20 vers la première position fermée lorsque la pression de sortie Ps du mélange 15 est strictement supérieure à un seuil de pression Pc et à déplacer le clapet 20 vers la deuxième position ouverte O lorsque la pression de sortie Ps du mélange est strictement inférieure au seuil de pression Pc. En général, lorsque le clapet 20 occupe la deuxième position ouverte O, la section de passage fluidique est maximum et la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 est maximum. Par ailleurs, le clapet 20 peut se déplacer vers la première position fermée, ou vers la deuxième position ouverte O, en fonction de la valeur de la pression de sortie Ps. Lorsque le clapet 20 occupe une position intermédiaire, c’est-à-dire une position entre les première et deuxième positions, la section a une valeur intermédiaire inférieure à celle de la section maximum. Ainsi, lorsque le clapet 20 se déplace vers la première position fermée, la section de passage fluidique diminue et la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 diminue également. Inversement, lorsque le clapet 20 s’éloigne de la première position fermée et se déplace vers la deuxième position ouverte O, la section de passage fluidique augmente et la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 augmente également.
Le dispositif de régulation 3 permet donc de réguler la pression de sortie Ps par rapport au seuil de pression Pc. Ainsi, le système de régulation 1 permet d’obtenir une pression de sortie Ps stable, c’est-à-dire une pression de sortie Ps dont la variation par rapport au seuil de pression Pc est inférieure ou égale à 5%, de préférence inférieure ou égale à 1%. En particulier, on peut stabiliser la pression de sortie Ps de manière passive, c’est-à-dire sans utiliser des unités de contrôle électronique pilotant des appareils électriques. Un tel système de régulation 1 permet, notamment, de fournir en sortie de l’éjecteur 2 un mélange 15 de fluides 5, 6 dont la pression Ps est stable quel que soit le débit du premier fluide 5.
Le seuil de pression Pc peut être établi de différentes manières. Par exemple, le dispositif de régulation 3 comporte un moyen de rappel 30 configuré pour exercer sur le clapet 20 un effort Fr tendant à éloigner le clapet 20 de la première position fermée. En d’autres termes, l’effort Fr exercé sur le clapet 20 est inverse de celui exercé sur le clapet 20 par la pression Ps au sein de la chambre principale 21. L’effort Fr exercé sur le clapet 20 correspond au seuil de pression Pc multiplié par une surface S22adu diaphragme 22 telle qu’elle est vue depuis la chambre principale 21. Sur l’exemple de la , cette surface S22aest définie par la face 22a du diaphragme 22. En d’autres termes, Fr = Pc × S22a, où Fr est l’effort exercé sur le clapet 20 (en N), Pc est le seuil de pression (en Pa) et S22aest la surface du diaphragme (en m2).
Sur les figures 1, 3 à 4, 6, 8 et 10, on a représenté des modes de réalisation dans lesquels le moyen de rappel 30 comprend au moins un ressort 31. Par exemple, le moyen de rappel 30 est un ressort 31. Dans ces modes de réalisation, Fr correspond ainsi à la force générée par le ressort 31.
En variante, comme illustré sur les figures 2, 5, 7 et 9, le moyen de rappel 30 est une chambre 32, dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme 22 et alimentée par un fluide pilote 33. La pression Pp du fluide pilote 33 au sein de la chambre de rappel 32 génère sur le clapet 20 l’effort Fr tendant à éloigner le clapet 20 de la première position fermée. En d’autres termes, la pression Pp du fluide pilote 33 au sein de la chambre de rappel 32 génère sur le clapet 20 un effort Fr inverse de celui exercé sur le clapet 20 par la pression Ps au sein de la chambre principale 21. Sur l’exemple de la , une surface S22best définie par la face 22b du diaphragme 22. Ainsi, Fr = Pp × S22 b= Pc × S22a. Ainsi, on peut facilement et rapidement modifier l’effort Fr exercé sur le clapet 20 en modifiant la valeur de la pression Pp du fluide pilote 33. Par exemple, on peut utiliser une vanne de contrôle, par exemple une vanne proportionnelle, non représentée à des fins de simplification, qui permet de modifier la pression Pp du fluide pilote 33. Ainsi, en modifiant la valeur de la pression Pp du fluide pilote 33, on peut modifier la pression de sortie Ps, tout en la régulant, en fonction des besoins.
Le moyen de rappel 30 peut en outre être configuré pour modifier la valeur du seuil de pression Pc de manière à réguler la pression de sortie Ps en fonction des besoins. Ainsi, on fournit un seuil de pression Pc variable.
Sur les figures 1, 4 et 6, le dispositif de régulation 3 comporte une vis de réglage 40 configuré pour régler une valeur de l’effort Fr exercé par le ressort 31 du moyen de rappel 30. La vis de réglage 40 peut être équipée d’un volant de contrôle 40b pour la manipuler plus facilement.
Sur la , on a représenté un mode de réalisation dans lequel le moyen de rappel 30 comprend un ressort additionnel 43 couplé mécaniquement au diaphragme 22. Le ressort additionnel 43 génère un effort supplémentaire Fs (en N) sur le diaphragme 22 afin de pouvoir diminuer la pression Pp du fluide pilote 33. En effet, la pression Pp génère un effort Fp (en N) sur le diaphragme 22, et on adapte la raideur du ressort additionnel 43 de sorte que Fs + Fp = Fr. Avantageusement, la raideur du ressort additionnel 43 peut être modifiée par une vis de réglage supplémentaire et une étanchéité réalisée autour de la vis de réglage supplémentaire.
Sur la , on a représenté un mode de réalisation dans lequel le moyen de rappel 30 ne permet pas de modifier la valeur de l’effort Fr exercé sur le clapet 20. Dans ce cas, la raideur du ressort 31 est constante, par exemple réglée en usine.
On notera que l’on peut également prévoir un organe élastique additionnel configuré pour exercer sur le clapet 20 un effort tendant à maintenir ce dernier dans la première position fermée. Cet organe élastique additionnel permet de renforcer l’étanchéité du clapet 20 en première position fermée. Sur les figures 1 et 2, cet organe élastique additionnel est un ressort référencé 81. De préférence, il s’agit d’un ressort en compression, situé entre l’extrémité du clapet 20 et un boitier 82 du système 1. Ainsi, un effort exercé sur le clapet 20 pour le déplacer vers la première position fermée est égal à Ps × S22a+ F81, ou F81est la force (en N) exercée par le ressort additionnel 81 sur le clapet 20.
Sur les figures 6 à 8, on a représenté des modes de réalisation du système 1, dans lesquels le clapet 20 est monté mobile en translation le long d’un premier axe X. L’organe 23 est monté mobile en translation le long d’un deuxième axe Y, et le dispositif de régulation 3 comporte un dispositif de renvoi d’angle 41 couplé à l’organe 23 et au clapet 20 pour transmettre un déplacement de l’organe 23 au clapet 20. De façon générale, le dispositif de renvoi d’angle 41 est configuré pour convertir un mouvement de translation le long du deuxième axe Y en un mouvement de translation le long du premier axe X. Par exemple le premier axe X peut être parallèle, ou colinéaire, à l’axe longitudinal A. De préférence, le premier axe X est perpendiculaire au deuxième axe Y. En outre, un ressort supplémentaire 42 permet d’exercer une force sur le clapet 20 pour le déplacer vers la première position fermée. En particulier, le ressort supplémentaire 42 tend à maintenir le clapet 20 en première position fermée lorsqu’aucun effort n’est exercé sur le ressort supplémentaire 42. Ainsi, lorsque la pression de sortie Ps est strictement inférieure au seuil de pression Pc, l’effort Fr déplace le diaphragme 22 et l’organe 23, pour déplacer le dispositif de renvoi d’angle 41 afin de déplacer le clapet 20 vers la deuxième position ouverte O.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de renvoi d’angle 41 est une pièce montée en rotation autour d’un axe 41a perpendiculaire aux premier axe X et au deuxième axe Y. Le dispositif de renvoi d’angle 41 comprend une première portion 41b configurée pour venir au contact du clapet 20. Par exemple, la première portion 41b est couplée mécaniquement au clapet 20 de manière à déplacer le clapet 20 en translation le long du premier axe X lorsque l’organe 23 est déplacée le long du deuxième axe Y. En variante, on peut prévoir un ressort couplé mécaniquement au clapet 20 et configuré pour déplacer le clapet 20 vers la deuxième position ouverte O lorsque le clapet 20 n’est pas sollicité par le dispositif de renvoi d’angle 41, et pour autoriser le clapet 20 à être déplacé vers la première position fermée lorsque le clapet 20 est sollicité par le dispositif de renvoi d’angle 41. Le dispositif de renvoi d’angle 41 comprend, en outre, une deuxième portion 41c configurée pour venir au contact de l’organe 23. Cette deuxième portion 41c peut également venir au contact du ressort supplémentaire 42. Dans ce cas, on prévoit avantageusement que la portion 41c soit disposée entre l’extrémité de l’organe 23 et le ressort supplémentaire 42.
Plus particulièrement, le mode de réalisation illustré sur la permet de placer plus facilement une vis de réglage 40 par rapport au mode de réalisation illustré à la .
Sur les figures 3 à 8 et 10, on a représenté des modes de réalisation dans lesquels le clapet 20 est configuré pour modifier une section S1 de passage fluidique de l’entrée primaire 8, c’est-à-dire modifier une surface de l’entrée primaire 8, par laquelle passe le premier fluide 5, entre la première position fermée et la deuxième position ouverte O. De préférence, le clapet 20 est configuré pour venir directement au contact de l’entrée primaire 8 en première position fermée. C’est-à-dire que le clapet 20 peut être configuré pour obturer l’entrée primaire 8 lorsque le clapet 20 occupe la première position fermée. Ainsi, on obtient un éjecteur 2 à géométrie variable, c’est-à-dire dont la section S1 de l’entrée primaire 8 peut varier. Un tel éjecteur 2 à géométrie variable permet un amorçage plus aisé du flux du deuxième fluide 6.
Sur les figures 1 à 2 et 9, on a représenté des modes de réalisation dans lesquels la ligne fluidique d’alimentation 10 comporte un détendeur 50 ayant une entrée principale 51 reliée à la source 9, une sortie 52 reliée à l’entrée primaire 8, et un canal interne 53 reliant l’entrée principale 51 et la sortie 52 du détendeur 50. Par ailleurs, le clapet 20 est monté mobile au sein du détendeur 50 pour modifier une section S2 de passage fluidique du canal interne 53 entre les première et deuxième positions. C’est-à-dire qu’un changement de position du clapet 20 modifie une surface, de la section S2 du canal 53, par laquelle passe le premier fluide 5. Ainsi lorsque le clapet 20 est dans la première position fermée, le premier fluide 5 issu de la source 9 ne peut pas accéder à l’entrée primaire 8 de l’éjecteur 2. Inversement, lorsque le clapet 20 est dans la deuxième position ouverte O, ou dans une position intermédiaire, le premier fluide 5 issu de la source 9 peut accéder à l’entrée primaire 8 de l’éjecteur 2. En particulier, lorsque le clapet 20 occupe la deuxième position ouverte O, la section S2 est maximum et la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 est maximum. Lorsque le clapet 20 occupe une position intermédiaire, c’est-à-dire entre les première et deuxième positions, la section S2 a une valeur intermédiaire inférieure à la section S2 maximum. Ainsi, lorsque le clapet 20 se déplace vers la première position fermée, la section S2 diminue et la communication fluidique entre l’entrée primaire 8 et la source 9 diminue également.
Le détendeur 50 comporte un unique canal interne 53 et un tel détendeur est également appelé détendeur à un étage. En variante, le détendeur 50 peut comporter plusieurs étages.
Sur la , on a représenté un mode de réalisation d’un équipement électrochimique 60 comprenant une pile à combustible 61 et le système 1 de régulation tel que défini ci-avant. La pile à combustible 61 permet de produire un courant électrique à partir du dihydrogène utilisé comme combustible et du dioxygène utilisé comme comburant. En outre, la pile à combustible 61, comporte un circuit de distribution principal 62 configuré pour distribuer un fluide principal 70 à une électrode principale 63 de la pile à combustible 61. De préférence, le fluide principal 70 est du dihydrogène et l’électrode principale 63 correspond à l’anode de la pile 61 ou a lieu l’ionisation du dihydrogène. En variante, le fluide principal 70 est du dioxygène et l’électrode principale 63 correspond à la cathode de la pile 61 ou a lieu la formation d’eau à partir, notamment, du dioxygène. Par ailleurs, la sortie de l’éjecteur 13 du système de régulation 1 est reliée à un collecteur d’entrée C1 du circuit de distribution principal 62, en ce que l’entrée secondaire11 de l’éjecteur 2 est reliée à un collecteur de sortie C2 du circuit de distribution principal 62. Le fluide principal 70 circule au contact de l’électrode principale 63 entre le collecteur d’entrée C1 et le collecteur de sortie C2. Dans ce mode de réalisation, le fluide principal 70 provient de la source 9 en circulant dans la ligne fluidique d’alimentation 10, puis dans l’éjecteur 2, par l’intermédiaire du canal interne 53 du détendeur 50 ou directement en l’absence du détendeur 50, puis dans le circuit de distribution principal 62 pour circuler à nouveau dans l’éjecteur 2 en passant par l’entrée secondaire 11 de l’éjecteur 2. On dit également que le fluide principal 70 est recirculé dans la pile à combustible 61 à l’aide de l’éjecteur 2. Dans ce cas, le premier fluide 5 correspond au fluide principal 70 issu de la source 9 et le deuxième fluide 6 correspond au fluide principal 70 passant par l’entrée secondaire 11 de l’éjecteur 2. Avantageusement, on ajustera le seuil de pression Pc pour qu’il soit égal à la pression de la pile 61, c’est-à-dire à la pression du fluide principal 70 présent dans la partie du circuit de distribution principal 62 située entre le collecteur d’entrée C1 et le collecteur de sortie C2. En effet, lors d’une utilisation de la pile 61, la pression de la pile peut changer suivant les besoins. Par exemple, la pression de la pile peut être élevée lorsque la puissance électrique à produire est importante, et plus faible lorsque la puissance électrique à produire diminue. En outre, lorsque le véhicule roule, on peut avoir besoin d’utiliser divers équipements électriques et la pression de la pile peut donc varier après l’étape de démarrage. Un système de régulation 1 équipé d’un moyen de rappel 30 configuré pour modifier le seuil de pression Pc est donc particulièrement adapté pour un véhicule mobile équipé d’une pile à combustible 61. En outre, le rapport entre le débit du fluide principal 70 alimentant l’entrée primaire 8 et le débit du fluide principal 70 alimentant l’entrée secondaire 11 peut varier entre 0.5 et 2. On peut donc être amené à utiliser des débits du fluide principal 70 qui peuvent varier selon les besoins. Le système de régulation 1 permet donc de fournir un fluide principal 70 dans la pile 61 qui a une pression stable Ps quel que soit la valeur du débit du fluide principal 70 alimentant l’entrée primaire 8 de l’éjecteur 2.
En variante, le moyen de rappel 30 du système de régulation 1 comprend la chambre de rappel 32 telle que définie ci-avant. En outre, l’équipement électrochimique 60 comprend un circuit de distribution secondaire 64 configuré pour distribuer le fluide pilote 33 à une électrode secondaire 65 de la pile à combustible 61 et à la chambre de rappel 32 de sorte que le circuit de distribution secondaire 64 et la chambre de rappel 32 présentent les mêmes pressions. Avantageusement, le fluide principal 70 est du dihydrogène, et le fluide pilote 33 est du dioxygène, ou de l’air. Ainsi, on obtient une régulation de la pression dans le circuit de distribution principal 62 de sorte que la pression de la pile 61 au niveau de l’anode 63 suive la pression au niveau de la cathode 65. Par ailleurs, la pression au niveau de la cathode 65 peut être régulée par une vanne de contre pression 66, par exemple du type papillon, en sortie d’une ligne d’échappement 67 du dioxygène. En outre, si un décalage entre la pression au niveau de l’anode 63 et au niveau de la cathode 65 est requis, le décalage peut être introduit par l’ajout du ressort additionnel 43 exerçant l’effort supplémentaire Fs sur le diaphragme 22. Avantageusement, le diaphragme 22 peut comporter deux membranes séparées par une aération de manière à éviter un mélange hydrogène oxygène à travers le diaphragme 22. Ainsi, d’éventuelles fuites au niveau d’une membrane sont évacuées sans être mises en contact avec l’autre fluide.
Sur la , on a représenté un mode de réalisation dans lequel l’entrée secondaire 11 de l’éjecteur 2 est reliée de manière fluidique à une ventouse 80. Un tel système de régulation 1 permet de créer un vide au niveau de la ventouse 80, grâce à l’aspiration du deuxième fluide 6 situé entre la ventouse 80 et l’entrée secondaire 11. Le système 1 permet de créer un vide de manière régulée.
On peut également fournir un procédé de régulation d’une circulation d’un fluide qui peut être mis en œuvre à partir du système de régulation 1 tel que défini ci-avant.
Le système de régulation qui vient d’être décrit est simple à réaliser et fournit un fluide de sortie ayant une pression stable, notamment quel que soit le débit du fluide provenant de la source de fluide. Un tel système est particulièrement adapté pour des piles à combustible de faible puissance (inférieure à 50 kW) ou de forte puissance (supérieur à 100 kW).

Claims (15)

  1. Système de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant :
    • un éjecteur (2) ayant une entrée dite primaire (8) configurée pour être reliée à une source (9) d’un premier fluide par une ligne fluidique d’alimentation dans laquelle le premier fluide est destiné à circuler, une entrée dite secondaire (11) configurée pour être reliée à une ligne fluidique de circulation dans laquelle un deuxième fluide est destiné à circuler, une sortie (13) configurée pour être reliée à une ligne fluidique de sortie dans laquelle un mélange des premier et deuxième fluides est destiné à circuler, l’éjecteur (2) étant configuré pour générer, par un effet Venturi, une aspiration du deuxième fluide lorsque l’entrée primaire (8) est alimentée par le premier fluide ,
    caractérisé en ce qu’il comporte :
    • un dispositif de régulation (3) d’une pression dite de sortie (Ps) du mélange, le dispositif de régulation (3) comprenant :
      • un clapet (20) monté mobile entre une première position, fermée, dans laquelle le clapet (20) empêche une communication fluidique entre l’entrée primaire (8) et la source (9), et une deuxième position, ouverte (O), dans laquelle le clapet (20) autorise une communication fluidique entre l’entrée primaire (8) et la source (9), et
      • une chambre principale (21) délimitée en partie au moins par un diaphragme (22) couplé mécaniquement au clapet (20) de sorte qu’un déplacement du diaphragme (22) provoque un déplacement du clapet (20) d’une position vers l’autre, la chambre principale (21) étant reliée à la ligne fluidique de sortie de sorte que la pression de sortie (Ps) du mélange (13) et la chambre principale (21) présentent les mêmes pressions,
    • le système étant configuré de sorte à déplacer le clapet (20) vers la première position fermée lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement supérieure à un seuil de pression (Pc) et à déplacer le clapet vers la deuxième position ouverte (O) lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement inférieure au seuil de pression (Pc).
  2. Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation (3) comporte un moyen de rappel (30) configuré pour exercer sur le clapet (20) un effort (Fr) tendant à éloigner le clapet (20) de la première position fermée.
  3. Système selon la revendication 2, dans lequel le moyen de rappel (30) comprend au moins un ressort (31), de préférence dans lequel le moyen de rappel (30) est un ressort (31).
  4. Système selon la revendication 2, dans lequel le moyen de rappel (30) est une chambre (32), dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme (22) et alimentée par un fluide pilote (33), la pression du fluide pilote (33) au sein de la chambre de rappel (32) générant sur le clapet (20) un effort (Fr) tendant à éloigner le clapet (20) de la première position fermée.
  5. Système selon la revendication 4, comprenant un ressort additionnel (43) couplé mécaniquement au diaphragme (22).
  6. Système selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de régulation (3) comporte une vis de réglage (40) d’une valeur de l’effort (Fr) exercé par ledit au moins un ressort (31).
  7. Système selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel, le clapet (20) est monté mobile en translation le long d’un premier axe (X) et le dispositif de régulation (3) comporte un organe (23) couplé mécaniquement au diaphragme (22), l’organe (23) étant monté mobile en translation le long d’un deuxième axe (Y) différent du premier axe (X), et le dispositif de régulation (3) comporte un dispositif de renvoi d’angle (41) couplé à l’organe (23) et au clapet (20) et configuré de sorte qu’un déplacement de l’organe (23) selon le deuxième axe (Y) provoque un mouvement du clapet (20) relativement à l’entrée primaire (8).
  8. Système selon la revendication 7, dans lequel le premier axe (X) est perpendiculaire au deuxième axe (Y).
  9. Système selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel, le clapet (20) est configuré pour modifier une section de passage fluidique de l’entrée primaire (8) de l’éjecteur (2) entre la première position fermée et la deuxième position ouverte (O), de préférence, le clapet (20) est configuré pour venir directement au contact de l’entrée primaire (8) en première position fermée.
  10. Système selon l’une des revendications 1 à 8, comportant un détendeur (50) ayant une entrée principale (51) reliée à la source (9), une sortie (52) reliée à l’entrée primaire (8), et un canal interne (53) reliant l’entrée principale (51) et la sortie (52) du détendeur (50), le clapet (20) étant monté mobile au sein du détendeur (50) pour modifier une section de passage fluidique du canal interne (53) entre la première position fermée et la deuxième position ouverte (O).
  11. Equipement électrochimique, comportant :
    • au moins une pile à combustible (61) comportant un circuit de distribution principal (62) configuré pour distribuer un fluide principal (70) à une électrode principale (63) de la pile à combustible (61),
    caractérisé en ce qu’il comporte au moins un système de régulation selon l’une des revendications 1 à 10, en ce que la sortie (13) de l’éjecteur (2) du système de régulation est relié à un collecteur d’entrée (C1) du circuit de distribution principal (62), en ce que l’entrée secondaire (11) de l’éjecteur (2) est relié à un collecteur de sortie (C2) du circuit de distribution principal (62).
  12. Equipement électrochimique selon la revendication précédente, comprenant la source (9) du premier fluide, le premier fluide étant fait ou étant à base d’hydrogène ou d’oxygène.
  13. Equipement électrochimique selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel :
    • le système de régulation comporte une chambre (32), dite chambre de rappel, délimitée en partie par le diaphragme (22) et alimentée par un fluide pilote (33), la pression du fluide pilote (33) au sein de la chambre de rappel (32) générant sur le clapet (20) un effort (Fr) tendant à éloigner le clapet (20) de la première position fermée,
    • l’équipement électrochimique comprenant un circuit de distribution secondaire (64) configuré pour distribuer le fluide pilote (33) à une électrode secondaire (65) de la pile à combustible (61) et à la chambre de rappel (32) de sorte que le circuit de distribution secondaire (64) et la chambre de rappel (32) présentent les mêmes pressions.
  14. Equipement électrochimique selon la revendication précédente, comprenant la source (9) du premier fluide, le premier fluide étant fait ou étant à base d’hydrogène et le fluide pilote étant fait ou étant à base d’oxygène.
  15. Procédé de régulation d’une circulation d’un fluide, comprenant :
    • une fourniture d’un système de régulation selon l’une des revendications 1 à 10,
      caractérisé en ce qu’il comporte un déplacement du clapet (20) du système de régulation vers la première position fermée lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement supérieure au seuil de pression (Pc) et un déplacement du clapet (20) vers la deuxième position ouverte (O) lorsque la pression de sortie (Ps) du mélange est strictement inférieure au seuil de pression (Pc).
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