FR3139246A1 - Humidificateur d’air pour pile à combustible - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un humidificateur d’air (20) pour pile à combustible, comportant :- une enceinte (1),- un ensemble de tubes (2) disposé dans l’enceinte (1),l’ensemble des espaces intérieurs des tubes (2) formant un ensemble de premiers canaux (3) longitudinaux configurés pour faire circuler un premier mélange gazeux (G1),l’ensemble des espaces séparant deux tubes (2) consécutifs formant un ensemble de deuxième canaux (4) transversaux, configurés pour faire circuler un deuxième mélange gazeux (G2) entre un premier bord transversal des tubes (2), dit bord incident, et un deuxième bord transversal des tubes (2), dit bord de fuite,dans lequel les tubes (2) comprennent chacun une membrane configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux (G2) de passer dans le premier mélange gazeux (G1),et dans lequel l’ensemble de tubes (2) comprend une alternance de tubes comportant un bord incident bombé et un bord de fuite plat avec des tubes comportant un bord incident plat et un bord de fuite bombé. Figure de l’abrégé : Figure 4
Description
La présente invention se rapporte au domaine des humidificateurs d’air, notamment des humidificateurs d’air pour pile à combustible.
Les piles à combustibles peuvent produire un courant électrique grâce à une réaction d’oxydation sur une électrode de la pile d’un combustible réducteur, tel que l’hydrogène, couplée à une réaction de réduction d’un oxydant sur une deuxième électrode de la pile. Les deux électrodes sont séparées par une membrane électrolytique, par exemple une membrane en polymère. L’oxydant peut être l’oxygène provenant de l’air ambiant. Il est bien connu que le flux d’oxygène alimentant la pile à combustible doit avoir une teneur en eau suffisante afin de maintenir la conductivité ionique de la membrane électrolytique à une valeur optimale. Il est donc habituel d’humidifier le flux d’air alimentant une telle pile à combustible, c’est-à-dire augmenter le taux d’humidité avant que le flux réagisse dans la pile à combustible.
Une possibilité pour augmenter le taux d’humidité de l’air alimentant la pile à combustible est de faire passer une partie de l’eau contenue dans les gaz rejetés par la pile à combustible dans le flux d’air à destination de la pile à combustible. Pour cela, les gaz rejetés circulent d’un côté d’une membrane perméable aux molécules d’eau et imperméable à l’air, tandis que le flux de gaz alimentant la pile à combustible circule de l’autre côté de cette membrane. Les molécules d’eau contenues dans le flux de gaz le plus concentré en eau peuvent traverser la membrane et passer dans le flux d’air d’alimentation.
Lorsque la puissance électrique de la pile à combustible augmente, la quantité d’eau à transférer augmente également, ce qui conduit généralement à augmenter la surface d’échange entre les gaz. L’encombrement du dispositif d’humidification de l’air augmente donc, ce qui peut être problématique pour intégrer ce dispositif dans un véhicule.
Il existe donc un besoin de disposer d’humidificateur d’air pour pile à combustible offrant une performance améliorée, c’est-à-dire permettant d’augmenter la quantité d’eau apportée au gaz d’alimentation de la pile à combustible.
A cette fin, la présente invention propose un humidificateur d’air pour pile à combustible, comportant:
- une enceinte,
- un ensemble de tubes disposés dans l’enceinte et espacés les uns des autres, formant une superposition de tubes,
l’ensemble des espaces intérieurs des tubes formant un ensemble de premiers canaux longitudinaux, configurés pour faire circuler un premier mélange gazeux possédant un premier taux d’humidité,
l’ensemble des espaces séparant deux tubes consécutifs de l’ensemble de tubes formant un ensemble de deuxième canaux transversaux, configurés pour faire circuler un deuxième mélange gazeux entre un premier bord transversal de l’ensemble de tubes, dit bord incident, et un deuxième bord transversal de l’ensemble de tubes, dit bord de fuite,
le deuxième mélange gazeux possédant un deuxième taux d’humidité supérieur au premier taux d’humidité,
dans lequel les tubes comprennent chacun une membrane configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux de passer dans le premier mélange gazeux de façon à augmenter le taux d’humidité du premier mélange gazeux,
et dans lequel l’ensemble de tubes comprend une alternance de tubes comportant un bord incident bombé et un bord de fuite plat avec des tubes comportant un bord incident plat et un bord de fuite bombé.
- une enceinte,
- un ensemble de tubes disposés dans l’enceinte et espacés les uns des autres, formant une superposition de tubes,
l’ensemble des espaces intérieurs des tubes formant un ensemble de premiers canaux longitudinaux, configurés pour faire circuler un premier mélange gazeux possédant un premier taux d’humidité,
l’ensemble des espaces séparant deux tubes consécutifs de l’ensemble de tubes formant un ensemble de deuxième canaux transversaux, configurés pour faire circuler un deuxième mélange gazeux entre un premier bord transversal de l’ensemble de tubes, dit bord incident, et un deuxième bord transversal de l’ensemble de tubes, dit bord de fuite,
le deuxième mélange gazeux possédant un deuxième taux d’humidité supérieur au premier taux d’humidité,
dans lequel les tubes comprennent chacun une membrane configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux de passer dans le premier mélange gazeux de façon à augmenter le taux d’humidité du premier mélange gazeux,
et dans lequel l’ensemble de tubes comprend une alternance de tubes comportant un bord incident bombé et un bord de fuite plat avec des tubes comportant un bord incident plat et un bord de fuite bombé.
L’alternance de tubes possédant un bord incident bombé avec des tubes possédant un bord incident plat permet de créer des zones de surpression du deuxième mélange gazeux contre la membrane formant paroi des tubes, de sorte que l’échange d’eau à travers la membrane est facilité. La performance de l’humidificateur est ainsi améliorée. Autrement dit, la quantité d’eau transférée est augmentée, pour un encombrement donné de l’humidificateur. Alternativement, l’encombrement de l’humidificateur peut être réduit, pour une même quantité d’eau transférée.
Les caractéristiques listées dans les paragraphes suivant peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
Le premier mélange gazeux est un flux d’air destiné à alimenter en oxygène une pile à combustible.
La pile à combustible peut être une pile à combustible pour automobile.
Le deuxième mélange gazeux est un flux de gaz provenant d’une pile à combustible, le deuxième mélange gazeux étant chargé en eau résultant de la réaction d’oxydo/réduction au sein de la pile à combustible.
L’ensemble des tubes forme un alignement de tubes.
L’ensemble des bords incidents de l’ensemble de tubes est tangent à un premier plan.
L’ensemble des bords de fuite de l’ensemble de tubes est tangent à un deuxième plan.
Un tube comportant un bord incident bombé et un bord de fuite plat est disposé entre deux tubes comportant chacun un bord de fuite bombé et un bord incident plat.
De même, un tube comportant un bord de fuite bombé et un bord incident plat est disposé entre deux tubes comportant chacun un bord incident bombé et un bord de fuite plat.
Le bord bombé d’un tube possède un rayon de courbure supérieur à 1,4 millimètre.
Le bord plat d’un tube possède un rayon de courbure inférieur à 0,6 millimètre.
Les tubes sont rectilignes.
Les tubes s’étendent selon un axe longitudinal.
Selon un mode de réalisation de l’humidificateur d’air, les tubes de l’ensemble de tubes s’étendent longitudinalement selon un premier axe et s’étendent transversalement selon un deuxième axe reliant le bord incident d’un tube et le bord de fuite d’un tube. L’axe longitudinal d’un tube est parallèle à l’axe longitudinal des autres tubes.
Les tubes sont superposés le long d’un axe perpendiculaire à l’axe longitudinal et perpendiculaire à l’axe transversal.
Les tubes ont un profil transversal de forme oblongue.
L’ensemble de deuxièmes canaux s’étend selon une direction parallèle à l’axe transversal des tubes.
Selon un mode de réalisation de l’humidificateur d’air, les tubes de l’ensemble de tubes possèdent un profil transversal identique.
La fabrication des tubes est facilitée, ainsi que leur montage.
L’orientation d’un tube par rapport à un tube consécutif correspond à une rotation de 180° relativement à un axe longitudinal du tube.
Cette disposition permet d’obtenir un profil favorable à la création de zones de surpression, permettant un transfert d’eau amélioré entre le deuxième mélange gazeux et le premier mélange gazeux.
Les tubes de rang pair de l’ensemble de tubes sont tournés de 180° relativement aux tubes de rang impair.
Les deuxièmes canaux possèdent un profil transversal identique.
Selon un exemple de mise en œuvre de l’humidificateur d’air, les tubes sont formés par une bande de membrane repliée sur elle-même le long d’un axe médian, un premier bord de la bande étant solidarisé avec un deuxième bord de la bande selon une surface de recouvrement.
Ce profil souhaité pour les tubes est ainsi obtenu de manière simple.
La largeur de la surface de recouvrement est par exemple comprise entre 4 millimètres et 6 millimètres.
Selon un mode de réalisation, le premier bord de la bande est jointif avec le deuxième bord de la bande.
Le premier bord de la bande et le deuxième bord de la bande peuvent être collés l’un à l’autre.
En variante, le premier bord de la bande et le deuxième bord de la bande sont soudés l’un à l’autre.
Selon un exemple de mise en œuvre, la membrane est en fluoropolymère copolymère à base de tétrafluoroéthylène sulfonaté.
La membrane est par exemple en Nafion®.
L’épaisseur de la membrane est comprise entre 0,010 millimètre et 0,1 millimètre.
Selon un autre exemple de réalisation, les tubes sont formés par deux bandes de membrane, chaque bord d’une bande étant solidarisé avec un bord de l’autre bande selon une surface de recouvrement.
Selon un exemple de réalisation de l’humidificateur d’air, l’axe transversal de chacun des tubes est parallèle à l’axe transversal des autres tubes.
Cette disposition est simple à réaliser.
Selon une variante de réalisation de l’humidificateur d’air, l’axe transversal d’une partie des tubes forme un angle avec l’axe transversal des autres tubes.
Cette disposition permet de prendre en compte le fait que les flux gazeux provenant de la deuxième entrée et parvenant à l’entrée des deuxièmes canaux ne sont pas tous parallèles entre eux.
Selon un mode de réalisation, les tubes possèdent un profil comportant une première zone d’épaisseur continument croissante en s’éloignant du bord bombé du tube le long de l’axe transversal des tubes.
Selon un mode de réalisation, les tubes possèdent un profil comportant une deuxième zone d’épaisseur continument croissante en s’éloignant du bord plat du tube le long de l’axe transversal des tubes.
Les tubes possèdent un profil comportant une deuxième zone d’épaisseur continument croissante en s’éloignant du bord plat du tube le long de l’axe transversal du profil.
Les tubes possèdent un profil comportant une deuxième zone d’épaisseur continument croissante en s’éloignant du bord plat du tube le long de l’axe transversal du profil.
La première zone s’étend le long de l’axe transversal des tubes entre le bord bombé d’un tube et un point de hauteur maximale du profil.
La deuxième zone s’étend le long de l’axe transversal des tubes entre le bord plat d’un tube et le point d’épaisseur maximale du profil.
L’épaisseur maximale d’un tube est comprise entre 4 millimètres et 6 millimètres.
La longueur du profil d’un tube est comprise entre 70 millimètres et 110 millimètres.
La longueur d’un tube est comprise entre 300 millimètres et 400 millimètres.
L’ensemble de deuxièmes canaux possèdent un profil comportant une première zone de hauteur continument décroissante en s’éloignant du bord incident d’un tube.
L’ensemble de deuxièmes canaux possèdent un profil comportant une deuxième zone de hauteur continument décroissante en s’éloignant du bord de fuite d’un tube.
La hauteur maximale d’un deuxième canal est comprise entre 5 millimètres et 7 millimètres.
La hauteur minimale d’un deuxième canal est comprise entre 1,5 millimètre et 2 millimètres.
Selon un mode de réalisation de l’humidificateur d’air, les tubes possèdent un profil symétrique par rapport à un axe transversal reliant le bord incident et le bord de fuite.
Ce type de profil est aisément fabricable.
Selon un autre mode de réalisation, les tubes possèdent un profil dissymétrique par rapport à un axe transversal reliant le bord incident et le bord de fuite.
Ce type de profil permet d’ajuster le profil de la pression le long des tubes.
Selon un aspect de l’humidificateur d’air, le premier mélange gazeux circule entre une première entrée et une première sortie de l’humidificateur d’air.
Selon un autre aspect de l’humidificateur d’air, le deuxième mélange gazeux circule entre une deuxième entrée et une deuxième sortie de l’humidificateur d’air.
Selon un exemple de réalisation, l’enceinte possède une forme générale parallélépipédique.
L’enceinte est étanche.
Selon un exemple de réalisation, la première entrée et la première sortie sont agencées sur une première paire de faces opposées de l’enceinte.
De même, la deuxième entrée et la deuxième sortie sont par exemple agencées sur une deuxième paire de faces opposées de l’enceinte.
La première entrée et la deuxième entrée sont disposées sur des faces adjacentes de l’enceinte.
La première sortie et la deuxième sortie sont disposées sur des faces adjacentes de l’enceinte.
L’humidificateur comprend un premier répartiteur configuré pour guider le flux de premier mélange gazeux de la première entrée de l’humidificateur vers une première extrémité axiale des tubes.
L’humidificateur comprend un premier collecteur configuré pour guider le flux de premier mélange gazeux en sortie d’une deuxième extrémité axiale des tubes vers la première sortie.
L’humidificateur comprend un deuxième répartiteur configuré pour guider le flux de deuxième mélange gazeux de la deuxième entrée de l’humidificateur vers l’ensemble de deuxièmes canaux.
L’humidificateur comprend un deuxième collecteur configuré pour guider le flux de deuxième mélange gazeux en sortie de l’ensemble de deuxièmes canaux vers la deuxième sortie.
Selon un exemple de mise en œuvre, l’humidificateur comprend une première plaque de maintien des tubes.
La première plaque comporte un premier ensemble de cavités traversantes dans lesquelles les tubes sont disposés, les cavités ayant une forme complémentaire au profil transversal des tubes.
Selon un exemple de mise en œuvre, l’humidificateur comprend une deuxième plaque de maintien des tubes.
La deuxième plaque comporte un deuxième ensemble de cavités traversantes dans lesquelles les tubes sont disposés, les cavités ayant une forme complémentaire au profil transversal des tubes.
Les plaques de maintien assurent le positionnement des tubes, en garantissant leur orientation ainsi que leur espacement. De plus, les plaques de maintien permettent d’obtenir le profil voulu pour les tubes.
La liaison entre la première plaque et l’ensemble de tubes est étanche.
La liaison entre la deuxième plaque et l’ensemble de tubes est étanche.
La première plaque est liée de manière étanche à une structure support de l’enceinte.
La deuxième plaque est liée de manière étanche à une structure support de l’enceinte.
La portion d’un tube disposée dans la première plaque est adjacente à une première extrémité axiale du tube.
La portion d’un tube disposée dans la deuxième plaque est adjacente à une deuxième extrémité axiale du tube.
La portion des tubes comprise entre la première plaque et la deuxième plaque est libre.
Selon un mode de réalisation de l’humidificateur d’air, une direction d’écoulement du deuxième mélange gazeux au niveau de la deuxième entrée forme avec une direction d’écoulement du premier mélange gazeux un angle compris entre 120° et 150°.
La deuxième entrée est plus proche de la première sortie que de la première entrée.
Une direction d’écoulement du deuxième mélange gazeux au niveau de la deuxième sortie forme avec une direction d’écoulement du premier mélange gazeux un angle compris entre 30° et 60°.
La deuxième sortie est plus proche de la première entrée que de la première sortie.
Cette disposition fait que le deuxième mélange gazeux effectue deux changements de direction en passant de la deuxième entrée à la deuxième sortie. Entre ces deux changements de direction, l’écoulement du deuxième mélange gazeux est sensiblement à contre-courant par rapport à l’écoulement du premier mélange gazeux. L’échange de molécules d’eau entre le deuxième mélange gazeux et le premier mélange gazeux est amélioré
L’humidificateur comprend par exemple sept paires de tubes.
L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un tube d’un humidificateur d’air, comprenant les étapes :
- fournir une bande de membrane, la membrane étant configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans un premier mélange gazeux en contact avec une face de la membrane de passer dans un deuxième mélange gazeux en contact avec une face opposée de la membrane,
- replier la bande sur elle-même le long d’un axe médian,
- solidariser un premier bord de la bande avec un deuxième bord de la bande selon une surface de recouvrement de façon à former un tube ayant un premier bord transversal bombé et un deuxième bord transversal plat.
- fournir une bande de membrane, la membrane étant configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans un premier mélange gazeux en contact avec une face de la membrane de passer dans un deuxième mélange gazeux en contact avec une face opposée de la membrane,
- replier la bande sur elle-même le long d’un axe médian,
- solidariser un premier bord de la bande avec un deuxième bord de la bande selon une surface de recouvrement de façon à former un tube ayant un premier bord transversal bombé et un deuxième bord transversal plat.
L’étape de solidarisation du premier bord et du deuxième bord de la bande peut comprendre une sous-étape de soudage.
Alternativement, l’étape de solidarisation du premier bord et du deuxième bord de la bande peut comprendre une sous-étape de collage.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Afin de faciliter la lecture des figures, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle. Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références. Certains éléments ou paramètres peuvent être indexés, c'est-à-dire désignés par exemple par premier élément ou deuxième élément, ou encore premier paramètre et second paramètre, etc. Cette indexation a pour but de différencier des éléments ou paramètres similaires, mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, ou paramètre par rapport à un autre et on peut interchanger les dénominations.
Le terme « un deuxième élément est placé entre un premier élément et un troisième élément » signifie que le plus court trajet pour passer du premier élément au troisième élément passe par le deuxième élément.
Quand il est précisé qu'un sous-système comporte un élément donné, cela n'exclut pas la présence d'autres éléments dans ce sous-système.
On a représenté schématiquement sur la une pile à combustible 50. La pile à combustible 50 peut être une pile à combustible pour automobile. Par exemple, la pile à combustible fournit l’énergie électrique d’un moteur de traction du véhicule.
La pile à combustible comprend une anode 45 et une cathode 46, séparées par une membrane électrolytique 47 permettant un échange d’ions entre l’anode 45 et la cathode 46, de sorte qu’un circuit électrique connecté aux bornes de la pile à combustion peut être parcouru par un courant électrique. Un flux d’hydrogène gazeux H2 est fourni comme combustible à la pile à combustible 50. La pile à combustible 50 reçoit également un flux d’un premier mélange gazeux G1, qui procure l’oxygène nécessaire à la réaction d’oxydo-réduction.
Un système de conditionnement d’air 40 réalise une filtration d’un flux d’air ambiant, ainsi qu’une mise en pression et une régulation de température. Le flux d’air conditionné par le système 40 forme un premier mélange gazeux G1 et est admis dans l’humidificateur 20 au niveau d’une première entrée E1.
A l’intérieur de l’humidificateur 20, le premier mélange gazeux G1 est mis en contact avec un deuxième mélange gazeux G2 rejeté par la pile à combustible 50, qui est le mélange gazeux riche en eau résultant de la réaction d’oxydo-réduction. Le premier mélange gazeux G1 est ainsi enrichi en eau, c’est-à-dire que son taux d’humidité augmente. On entend par taux d’humidité la fraction d’eau contenue dans le premier mélange gazeux. Le taux d’humidité correspond à la masse d’eau contenue dans un mélange gazeux divisé par la masse totale de ce mélange gazeux.
L’humidificateur d’air 20 comprend ainsi une première entrée E1 et une première sortie S1 pour le premier mélange gazeux G1, et comprend également une deuxième entrée E2 et une deuxième sortie S2 pour le deuxième mélange gazeux G2.
La est un exemple de réalisation d’un humidificateur d’air 20, vu en perspective. La est une vue éclatée de cet humidificateur d’air 20.
L’humidificateur d’air 20 comprend une enceinte 1 formant un volume dans lequel peuvent circuler le premier mélange gazeux G1 et le deuxième mélange gazeux G2, et dans lequel les deux mélanges gazeux G1, G2 peuvent échanger de l’eau. Le premier mélange gazeux G1 circule entre une première entrée E1 et une première sortie S1 de l’humidificateur d’air 20. Le deuxième mélange gazeux G2 circule entre une deuxième entrée E2 et une deuxième sortie S2 de l’humidificateur d’air 20. L’enceinte 1 est étanche. On entend par là que les seuls échanges entre le milieu extérieur et le volume intérieur de l’enceinte se produisent au niveau des deux entrées E1, E2 et des deux sorties S1, S2.
L’enceinte 1 possède ici une forme générale parallélépipédique. D’autres formes sont possibles, comme par exemple une forme cylindrique, non représentée. L’enceinte 1 comprend une structure support 10 qui reçoit et solidarise les différents éléments de l’humidificateur 20. La structure support 10 est rigide. La structure support comprend deux plaques rectangulaires parallèles maintenues à distance par quatre montants s’étendant perpendiculairement au plan des plaques au niveau des coins des plaques.
La première entrée E1 et la première sortie S1 sont agencées sur une première paire de faces opposées de l’enceinte 1. La deuxième entrée E2 et la deuxième sortie S2 sont également agencées sur une deuxième paire de faces opposées de l’enceinte 1.
La première entrée E1 et la deuxième entrée E2 sont disposées sur des faces adjacentes de l’enceinte 1. La première sortie S1 et la deuxième sortie S2 sont disposées sur des faces adjacentes de l’enceinte 1.
L’humidificateur 20 comprend un premier répartiteur 21 permettant de répartir le premier mélange gazeux G1 arrivant dans la première entrée E1 de l’enceinte 1 sur toute la surface frontale de l’enceinte 1. Le premier répartiteur 21 a une forme évasée, divergente selon la direction d’écoulement du premier mélange gazeux G1.
L’humidificateur 20 comprend un premier collecteur 22 permettant de collecter le premier mélange gazeux G1 circulant sur l’ensemble de la surface frontale de l’enceinte 1 et de le guider vers la première sortie S1. Le premier collecteur 22 a une forme évasée, convergente selon la direction d’écoulement du premier mélange gazeux G1.
De la même manière, l’humidificateur 20 comprend un deuxième répartiteur 23 permettant de répartir le deuxième mélange gazeux G2 arrivant dans la deuxième entrée E2 de l’enceinte 1 sur toute la surface latérale de l’enceinte 1. Le deuxième répartiteur 23 a une forme évasée, divergente selon la direction d’écoulement du deuxième mélange gazeux G2.
Un deuxième collecteur 24 permettant de collecter le deuxième mélange gazeux G2 circulant sur l’ensemble de la surface latérale de l’enceinte 1 et de le guider vers la deuxième sortie S2. Le deuxième collecteur 24 a une forme évasée, convergente selon la direction d’écoulement du deuxième mélange gazeux G2. Les deux répartiteurs 21, 23 et les deux collecteurs 22, 24 sont fixés à la structure support 10.
La présente invention propose un humidificateur d’air 20 pour pile à combustible 50, comportant :
- une enceinte 1,
- un ensemble de tubes 2 disposés dans l’enceinte 1 et espacés les uns des autres, formant une superposition de tubes 2,
l’ensemble des espaces intérieurs des tubes 2 formant un ensemble de premiers canaux 3 longitudinaux, configurés pour faire circuler un premier mélange gazeux G1 possédant un premier taux d’humidité T1.
L’ensemble des espaces séparant deux tubes 2 consécutifs de l’ensemble de tubes 2 forment un ensemble de deuxième canaux 4 transversaux, configurés pour faire circuler un deuxième mélange gazeux G2 entre un premier bord transversal 5,5’ de l’ensemble de tubes 2, dit bord incident, et un deuxième bord transversal 6,6’ de l’ensemble de tubes 2, dit bord de fuite,
le deuxième mélange gazeux G2 possédant un deuxième taux d’humidité T2 supérieur au premier taux d’humidité T1.
Les tubes 2 comprennent chacun une membrane 7 configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux G2 de passer dans le premier mélange gazeux G1 de façon à augmenter le taux d’humidité du premier mélange gazeux G1,
et l’ensemble de tubes 2 comprend une alternance de tubes comportant un bord incident 5 bombé et un bord de fuite 6 plat avec des tubes comportant un bord incident 5’ plat et un bord de fuite 6’ bombé.
- une enceinte 1,
- un ensemble de tubes 2 disposés dans l’enceinte 1 et espacés les uns des autres, formant une superposition de tubes 2,
l’ensemble des espaces intérieurs des tubes 2 formant un ensemble de premiers canaux 3 longitudinaux, configurés pour faire circuler un premier mélange gazeux G1 possédant un premier taux d’humidité T1.
L’ensemble des espaces séparant deux tubes 2 consécutifs de l’ensemble de tubes 2 forment un ensemble de deuxième canaux 4 transversaux, configurés pour faire circuler un deuxième mélange gazeux G2 entre un premier bord transversal 5,5’ de l’ensemble de tubes 2, dit bord incident, et un deuxième bord transversal 6,6’ de l’ensemble de tubes 2, dit bord de fuite,
le deuxième mélange gazeux G2 possédant un deuxième taux d’humidité T2 supérieur au premier taux d’humidité T1.
Les tubes 2 comprennent chacun une membrane 7 configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux G2 de passer dans le premier mélange gazeux G1 de façon à augmenter le taux d’humidité du premier mélange gazeux G1,
et l’ensemble de tubes 2 comprend une alternance de tubes comportant un bord incident 5 bombé et un bord de fuite 6 plat avec des tubes comportant un bord incident 5’ plat et un bord de fuite 6’ bombé.
L’alternance de tubes 2 possédant un bord incident 5 bombé avec des tubes possédant un bord incident 5’ plat permet de créer des zones de surpression du deuxième mélange gazeux contre la membrane 7 formant paroi des tubes 2, de sorte que l’échange d’eau à travers la membrane 7 est facilité. La performance de l’humidificateur 20 est ainsi améliorée. Autrement dit, la quantité d’eau transférée est augmentée, pour un encombrement donné de l’humidificateur 20. Alternativement, l’encombrement de l’humidificateur 20 peut être réduit, pour une même quantité d’eau transférée.
Le premier mélange gazeux G1 est un flux d’air destiné à alimenter en oxygène une pile à combustible 50. Le deuxième mélange gazeux G2 est un flux de gaz provenant d’une pile à combustible 50. Le deuxième mélange gazeux G2 est chargé en eau résultant de la réaction d’oxydo/réduction au sein de la pile à combustible 50. Sur les différentes figures, les flèches simples en pointillés illustrent l’écoulement du premier mélange gazeux G1, et les flèches en pointillés doubles illustrent l’écoulement du deuxième mélange gazeux G2.
Le débit de premier mélange gazeux G1 admis dans l’enceinte 1 par la première entrée E1 est réparti entre l’ensemble des premiers canaux 3. Chaque premier canal 3 est traversé par une fraction du débit total entrant du premier mélange gazeux. De la même manière, le débit de deuxième mélange gazeux G2 entrant dans l’enceinte 1 par la deuxième entrée E2 est réparti entre l’ensemble des deuxième canaux 4. Chaque deuxième canal 4 est parcouru par une fraction du débit total entrant du deuxième mélange gazeux. Les débits individuels de premier mélange gazeux G1, circulant en parallèle dans les différents premiers canaux 3, sont rassemblés en sortie des premiers canaux 3 au niveau du premier collecteur 22 et rejoignent la première sortie S1. De même, les débits individuels de deuxième mélange gazeux G2, qui circulent en parallèle dans les différents deuxièmes canaux 4, sont rassemblés en sortie des deuxièmes canaux 4 et rejoignent la deuxième sortie S2.
La détaille la circulation des mélanges gazeux G1, G2. Le premier mélange gazeux G1 circule à l’intérieur de chacun des tubes 2. Autrement dit, le premier mélange gazeux G1 circule dans l’espace intérieur délimité par le profil de chacun des tubes 2. Le deuxième mélange gazeux G2 circule à l’extérieur des tubes 2. Les deux mélanges gazeux G1, G2 circulent ainsi de part et d’autre de la paroi d’un tube 2. Comme cette paroi comprend une membrane laissant passer les molécules d’eau, une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux G2 traverse la membrane 7 des tubes 2 et se mélange au premier mélange gazeux G1 circulant à l’intérieur des tubes 2. Le taux d’humidité du premier mélange gazeux G1 augmente donc, c’est-à-dire que le premier mélange gazeux G1 est humidifié lors de son passage dans l’humidificateur 20. L’ensemble des membranes 7 des tubes 2 forme la membrane 47 schématisé sur la .
Les molécules d’eau peuvent traverser la membrane 7. La membrane 7 ne permet pas le passage des autres molécules de chacun des mélanges gazeux, tel que l’oxygène et l’azote. Le premier mélange gazeux G1 et le deuxième mélange gazeux G2 ne se mélangent pas. Seule une partie de l’eau contenue dans les mélanges gazeux G1, G2 peut être échangée à travers la membrane 7, ce qui permet d’humidifier le premier mélange gazeux G1.
L’ensemble des tubes forme un alignement de tubes. Les tubes 2 sont rectilignes.
Sur l’exemple représenté, l’humidificateur 20 comprend sept paires de tubes 2, soit quatorze tubes.
Les tubes de l’ensemble de tubes 2 sont en vis-à-vis et espacés les uns des autres, de sorte que chaque espace entre deux tubes voisins forme un canal de l’ensemble des deuxièmes canaux 4.
L’alternance de tubes veut dire qu’un tube 2 comportant un bord incident 5 bombé et un bord de fuite 6 plat est disposé entre deux tubes comportant chacun un bord de fuite 6’ bombé et un bord incident 5’ plat. De même, un tube 2 comportant un bord de fuite 6’ bombé et un bord incident 5’ plat est disposé entre deux tubes comportant chacun un bord incident 5 bombé et un bord de fuite 6 plat.
Le terme ‘bord incident’ est équivalent au terme ‘bord d’attaque’ en imaginant que le tube 2 représente un élément aérodynamique se déplaçant dans le deuxième mélange gazeux G2.
Le bord bombé 5 d’un tube 2 possède un rayon de courbure R5 supérieur à 1,4 millimètre. Le bord plat 6 d’un tube 2 possède un rayon de courbure R6 inférieur à 0,6 millimètre.
Les tubes 2 s’étendent selon un axe longitudinal X. L’axe longitudinal X des tubes correspond à la direction d’écoulement du premier mélange gazeux G1.
Selon l’exemple illustré, les tubes 2 de l’ensemble des tubes s’étendent longitudinalement selon un premier axe X et s’étendent transversalement selon un deuxième axe Y reliant le bord incident 5 d’un tube 2 et le bord de fuite 6 d’un tube 2, les tubes 2 s’étendant parallèlement entre eux. Les tubes 2 sont superposés le long d’un axe Z perpendiculaire à l’axe longitudinal X et perpendiculaire à l’axe transversal Y.
Comme représenté sur la , l’ensemble des bords incidents 5,5’ de l’ensemble de tubes 2 est tangent à un premier plan P1. De même, l’ensemble des bords de fuite 6,6’ de l’ensemble de tubes 2 est tangent à un deuxième plan P2. En se déplaçant dans le plan P1 le long de l’axe Z, un tube 2 avec un bord bombé alterne avec un tube avec un bord plat. De même, en se déplaçant dans le plan P2 le long de l’axe Z, un tube 2 avec un bord bombé alterne avec un tube avec un bord plat.
L’ensemble des deuxièmes canaux 4 s’étend selon une direction parallèle à l’axe transversal Y des tubes 2. L’axe transversal Y des tubes 2 est perpendiculaire à l’axe longitudinal X des tubes.
Les tubes 2 ont un profil transversal de forme oblongue. Sur l’exemple illustré, les tubes 2 de l’ensemble de tubes 2 possèdent un profil transversal identique. La fabrication des tubes 2 est facilitée, ainsi que leur montage, puisqu’une unique référence de tubes peut être utilisée pour équiper un humidificateur.
On entend par profil transversal la forme d’une section d’un tube 2 selon un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X des tubes 2. Le profil transversal des tubes est particulièrement représenté sur la .
L’orientation d’un tube 2 par rapport à un tube consécutif correspond à une rotation de 180° relativement à un axe longitudinal X du tube.
Cette disposition permet d’obtenir un profil favorable à la création de zones de surpression lors du passage du deuxième mélange gazeux G2 autour des tubes 2. Dans ces zones de surpression, le transfert d’eau à travers la membrane des tubes est amélioré, ce qui augmente les échanges entre le deuxième mélange gazeux G2 et le premier mélange gazeux G1. L’efficacité de l’humidificateur 20 est ainsi améliorée.
La met en évidence les zones de surpression relative et les zones de dépression relative. Les zones désignées par le signe Pr2 indiquent les zones de surpression relative, qui sont situées au voisinage du bord bombé 5 des tubes 2. Les zones désignées par le signe Pr1 indiquent les zones de dépression relative, situées au voisinage du bord plat 6 des tubes. Ces zones de surpression et de dépression sont présentes du côté du bord incident, du côté gauche de la , et aussi du côté du bord de fuite, du côté droit de la figure. Dans les zones de surpression relative P2, le passage des molécules d’eau à travers la membrane 7 formant paroi des tubes 2 est favorisé. Les performances de l’humidificateur 20 sont ainsi améliorées.
On entend par rang d’un tube son numéro de position dans l’ensemble de tubes, les positions étant numérotées dans l’ordre croissant. Les tubes de rang pair de l’ensemble de tubes sont tournés de 180° relativement aux tubes de rang impair. Autrement dit, et comme on peut le voir plus particulièrement sur la et sur la , le tube de rang un, le tube de rang trois et le tube de rang cinq sont tournés de 180° par rapport au tube de rang deux et au tube de rang quatre. Le tube de rang un, le tube de rang trois et le tube de rang cinq, ainsi que les autres tubes de rang impair, ont la même orientation entre eux. Le tube de rang deux, le tube de rang quatre, ainsi que les autres tubes de rang pair ont la même orientation entre eux.
Les deuxièmes canaux 4 possèdent un profil transversal identique.
Selon un exemple de mise en œuvre de l’humidificateur d’air 20, les tubes 2 sont formés par une bande 8 de membrane 7 repliée sur elle-même le long d’un axe médian M. Un premier bord 11 de la bande 8 est solidarisé avec un deuxième bord 12 de la bande 8 selon une surface de recouvrement 9.
Le profil souhaité pour les tubes 2 est ainsi obtenu simplement. En effet, le bord bombé d’un tube correspond à la zone voisine de l’axe de pliage, et le bord plat d’un tube correspond à la zone voisine de la surface de recouvrement 9.
La bande 8 de membrane est de préférence rectangulaire avant d’être repliée sur elle-même de façon à former un tube 2.
La largeur de la surface de recouvrement 9 est par exemple comprise entre 4 millimètres et 6 millimètres. La longueur de la surface de recouvrement 9 est égale à la longueur de la bande rectangulaire 8. Elle est aussi égale à la longueur L du tube 2 lorsque la bande 8 de membrane est rectangulaire avant d’être repliée.
Sur l’exemple illustré, le premier bord 11 de la bande 8 est jointif avec le deuxième bord 12 de la bande 8.
Le premier bord 11 de la bande 8 et le deuxième bord 12 de la bande 8 peuvent être collés l’un à l’autre. En variante, le premier bord 11 de la bande 8 et le deuxième bord 12 de la bande 8 peuvent être soudés l’un à l’autre.
La partie A de la représente la bande 8 de membrane dans un état à plat, c’est-à-dire non repliée. Les flèches F1 schématisent le déplacement initial d’un bord 12 de la bande 8 lors du pliage. La partie B de la représente la bande 8 de membrane au cours du pliage. Les deux bords 11 et 12 sont disposés en vis-à-vis. Les flèches F2 schématisent le déplacement des bords 11, 12 afin de les solidariser selon la surface de recouvrement 9. La partie C de la montre le tube 2 obtenu une fois que les bords de la membrane ont été solidarisés. L’espace intérieur du tube forme un premier canal 3.
Le procédé de réalisation d’un tube 2 d’un humidificateur d’air 20 comprend ainsi les étapes :
- fournir une bande 8 de membrane 7, la membrane 7 étant configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans un premier mélange gazeux en contact avec une face de la membrane 7 de passer dans un deuxième mélange gazeux en contact avec une face opposée de la membrane 7,
- replier la bande 8 sur elle-même le long d’un axe médian M,
- solidariser un premier bord 11 de la bande 8 avec un deuxième bord 12 de la bande 8 selon une surface de recouvrement 9 de façon à former un tube 2 ayant un premier bord transversal 5 bombé et un deuxième bord transversal 6 plat.
- fournir une bande 8 de membrane 7, la membrane 7 étant configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans un premier mélange gazeux en contact avec une face de la membrane 7 de passer dans un deuxième mélange gazeux en contact avec une face opposée de la membrane 7,
- replier la bande 8 sur elle-même le long d’un axe médian M,
- solidariser un premier bord 11 de la bande 8 avec un deuxième bord 12 de la bande 8 selon une surface de recouvrement 9 de façon à former un tube 2 ayant un premier bord transversal 5 bombé et un deuxième bord transversal 6 plat.
L’étape de solidarisation du premier bord 11 et du deuxième bord 12 de la bande 8 peut comprendre une sous-étape de soudage. Alternativement, l’étape de solidarisation du premier bord 11 et du deuxième bord 12 de la bande 8 peut comprendre une sous-étape de collage.
La membrane 7 est en fluoropolymère copolymère à base de tétrafluoroéthylène sulfonaté. La membrane 7 est par exemple en Nafion®.
L’épaisseur de la membrane 8 est comprise entre 0,010 millimètre et 0,1 millimètre. La membrane 7 est perméable aux molécules d’eau et imperméable à l’air. Les molécules d’eau du deuxième mélange gazeux G2 peuvent ainsi traverser la paroi de la membrane 7 des tubes 2 et se mélanger au premier mélange gazeux G1. Le taux d’humidité du premier mélange gazeux G1 augmente au fur et à mesure de son passage dans les tubes 2. De même, le taux d’humidité du deuxième mélange gazeux G2 diminue au fur et à mesure du passage dans les deuxième canaux 4, c’est-à-dire en passant du bord incident 5,5’ au bord de fuite 6,6’.
Selon un autre exemple de réalisation, non représenté, les tubes 2 sont formés par deux bandes de membrane 8, chaque bord d’une bande 8 étant solidarisé avec un bord de l’autre bande 8 selon une surface de recouvrement 9. Autrement dit, la bande qui est ensuite repliée sur elle-même peut être formée de deux bandes distinctes préalablement solidarisées. Dans ce cas, l’étape de pliage de la bande est précédée par une étape de fourniture de deux bandes distinctes de membrane et d’une étape de solidarisation de ces deux bandes.
Selon l’exemple de l’humidificateur d’air 20 illustré sur les différentes figures, l’axe transversal Y de chacun des tubes 2 est parallèle à l’axe transversal des autres tubes. Cette disposition est simple à réaliser. Cette disposition est détaillée sur la partie A de la .
Selon une variante de réalisation représentée sur la partie B de la , l’axe transversal Y d’une partie des tubes 2 forme un angle avec l’axe transversal Y des autres tubes 2. Le signe b désigne l’angle formé. Cette disposition permet de prendre en compte le fait que les flux gazeux provenant de la deuxième entrée E2 et parvenant à l’entrée des deuxièmes canaux 4 ne sont pas exactement parallèles entre eux. Sur la partie B de la , l’angle b est exagéré afin d’améliorer la lisibilité de la figure.
La détaille le profil d’un tube 2. Les tubes 2 possèdent un profil comportant une première zone 15 d’épaisseur h continument croissante en s’éloignant du bord bombé 5 du tube le long de l’axe transversal des tubes 2. Autrement dit, dans la première zone 15, l’épaisseur h est continument croissante en partant du bord bombé 5 et en se rapprochant du bord plat 6.
L’épaisseur h du profil d’un tube 2 est la dimension, mesurée perpendiculairement à l’axe transversal Y du profil du tube, du canal de circulation 3 formé par l’espace intérieur du tube 2.
Les tubes 2 possèdent un profil comportant une deuxième zone 16 d’épaisseur continument croissante en s’éloignant du bord plat 6 du tube le long de l’axe transversal Y des tubes 2.
Les tubes 2 possèdent un profil comportant une deuxième zone 16 d’épaisseur h continument croissante en s’éloignant du bord plat 6 du tube le long de l’axe transversal Y du profil.
Autrement dit, dans la deuxième zone 16, l’épaisseur h est continument croissante en partant du bord plat 6 et en se rapprochant du bord bombé 5.
Les tubes 2 possèdent un profil comportant une deuxième zone 16 d’épaisseur h continument croissante en s’éloignant du bord plat 6 du tube le long de l’axe transversal Y du profil.
Autrement dit, dans la deuxième zone 16, l’épaisseur h est continument croissante en partant du bord plat 6 et en se rapprochant du bord bombé 5.
La première zone 15 s’étend le long de l’axe transversal Y des tubes 2 entre le bord bombé 5 d’un tube et un point 17 de hauteur maximale H du profil. La deuxième zone 16 s’étend le long de l’axe transversal des tubes 2 entre le bord plat 6 d’un tube et le point 17 d’épaisseur maximale H du profil.
En partant du bord bombé 5 du profil et en se rapprochant du bord plat 6 du profil, la hauteur h du profil augmente de façon continue jusqu’à atteindre une valeur maximale H. Puis, en continuant à se rapprocher du bord plat 6 du profil, la hauteur h du profil diminue continument jusqu’à devenir nulle au voisinage du bord plat 6 du tube 2. Les tubes 2 ont un profil similaire au profil d’une aile d’aéronef.
L’épaisseur maximale H d’un tube 2 est comprise entre 4 millimètres et 6 millimètres. La longueur Lp du profil d’un tube 2 est comprise entre 70 millimètres et 110 millimètres.
La distance Lm séparant le bord bombé 5 du point 17 de hauteur maximale H est comprise entre 25 millimètres et 40 millimètres.
Un ratio entre la distance Lm séparant le bord bombé 5 du point 17 de hauteur maximale H et la longueur Lp du profil est compris entre 0,25 et 0,45. Le point 17 de hauteur maximale H est ainsi plus proche du bord bombé 5 d’un tube 2 que du bord plat 6 du tube. La longueur Lp et la longueur Lm sont constantes le long de l’axe longitudinal X des tubes 2.
La longueur L d’un tube 2 est comprise entre 300 millimètres et 400 millimètres. Cette longueur L correspond à la longueur des premiers canaux 3.
Comme schématisé sur la , l’ensemble de deuxièmes canaux 4 possèdent un profil comportant une première zone 25 de hauteur J continument décroissante en s’éloignant du bord incident 5,5’ d’un tube 2.
L’ensemble de deuxièmes canaux 4 possèdent un profil comportant une deuxième zone 26 de hauteur J continument décroissante en s’éloignant du bord de fuite 6,6’ d’un tube 2.
Les deuxièmes canaux 4 possèdent un profil dont la section diminue entre l’entrée des deuxièmes canaux 4 et un point de section minimale, pour lequel la hauteur J2 du canal est minimale. La section réaugmente entre ce point de hauteur minimale J2 et la sortie des deuxièmes canaux 4, où la hauteur vaut la valeur J1. L’entrée d’un deuxième canal 4 correspond au bord incident 5, 5’ de deux tubes consécutifs et la sortie d’un deuxième canal 4 correspond au bord de fuite 6, 6’ de ces deux tubes consécutifs. Lorsque les tubes 2 sont identiques, la hauteur à l’entrée d’un deuxième canal 4 et la hauteur en sortie d’un deuxième canal 4 sont identiques. Cette hauteur est désignée par le signe J1 sur la .
La hauteur maximale J1 d’un deuxième canal 4 est comprise entre 5 millimètres et 7 millimètres. La hauteur minimale J2 d’un deuxième canal 4 est comprise entre 1,5 millimètre et 2 millimètres.
Selon l’exemple illustré, les tubes 2 possèdent un profil symétrique par rapport à un axe transversal Y reliant le bord incident 5 et le bord de fuite 6. Ce type de profil est aisément fabricable.
Selon un autre mode de réalisation, non représenté, les tubes 2 possèdent un profil dissymétrique par rapport à un axe transversal Y reliant le bord incident 5 et le bord de fuite 6. Ce type de profil permet d’ajuster le profil de la pression le long des tubes 2.
L’humidificateur 20 comprend une première plaque 18 de maintien des tubes 2. La première plaque 18 comporte un premier ensemble de cavités traversantes 28 dans lesquelles les tubes 2 sont disposés, les cavités 28 ayant une forme complémentaire au profil transversal des tubes 2.
L’humidificateur 20 comprend une deuxième plaque 19 de maintien des tubes 2. La deuxième plaque 19 comporte un deuxième ensemble de cavités traversantes 29 dans lesquelles les tubes 2 sont disposés, les cavités 29 ayant une forme complémentaire au profil transversal des tubes 2. La détaillent les plaques de maintien 18, 19 prises isolément.
Les plaques de maintien 18, 19 assurent le positionnement des tubes 2, en garantissant leur orientation ainsi que leur espacement. De plus, les plaques de maintien 18, 19 permet d’obtenir le profil voulu pour les tubes 2.
Chaque plaque 18, 19 maintient les tubes 2 sur une portion de leur longueur. Les tubes 2 traversent chacune des plaques 18, 19 d’une face à l’autre. La représente les plaques de maintien 18, 19 avec les tubes 2 insérés dans les cavités traversantes 28, 29.
La liaison entre la première plaque 18 et l’ensemble de tubes 2 est étanche. De même, la liaison entre la deuxième plaque 19 et l’ensemble de tubes 2 est étanche. Par étanche, on entend que le deuxième mélange gazeux G2 ne peut pas circuler entre l’extérieur des tubes 2 et les cavités traversantes 28,29 de chacune des plaques de maintien 18, 19 à l’exception d’un débit de fuite négligeable par rapport au débit du deuxième mélange gazeux G2.
La première plaque 18 est liée de manière étanche à la structure support 10 de l’enceinte 1. De même, la deuxième plaque 18 est liée de manière étanche à la structure support 10 de l’enceinte 1.
La structure support 10 de l’enceinte 1 est par exemple en matière polyamide 6, désignée par PA 6, ou polycaprolactame. Les plaques de maintien 18, 19 sont en matière PA 6. Les répartiteurs 21, 23 et les collecteurs 22, 24 sont en matière PA 6. L’assemblage des pièces peut être réalisé par soudage.
La portion d’un tube 2 disposée dans la première plaque 18 est adjacente à une première extrémité axiale 13 du tube 2. De même, la portion d’un tube 2 disposée dans la deuxième plaque 19 est adjacente à une deuxième extrémité axiale 14 du tube 2. La portion des tubes 2 comprise entre la première plaque 18 et la deuxième plaque 19 est libre.
Autrement dit, la portion des tubes 2 s’étendant entre la première plaque 18 et la deuxième plaque 19 est dépourvue de soutien mécanique. L’humidificateur 20 illustré comprend exactement deux grilles de maintien 18,19. Ainsi, aucun obstacle ne perturbe l’écoulement du deuxième mélange gazeux G2.
L’humidificateur 20 comprend un premier répartiteur 21 configuré pour guider le flux de premier mélange gazeux G1 de la première entrée E1 de l’humidificateur 20 vers une première extrémité axiale 13 des tubes 2. La première extrémité axiale 13 des tubes 2 forme l’entrée des premiers canaux 3. L’humidificateur 20 comprend un premier collecteur 22 configuré pour guider le flux de premier mélange gazeux G1 en sortie d’une deuxième extrémité axiale 14 des tubes 2 vers la première sortie S1. La deuxième extrémité axiale 14 des tubes 2 forme la sortie des premiers canaux 3.
L’humidificateur 20 comprend un deuxième répartiteur 23 configuré pour guider le flux de deuxième mélange gazeux G2 de la deuxième entrée E2 de l’humidificateur 20 vers l’ensemble de deuxièmes canaux 4. L’humidificateur 20 comprend un deuxième collecteur 24 configuré pour guider le flux de deuxième mélange gazeux G2 en sortie de l’ensemble de deuxième canaux 4 vers la deuxième sortie S2.
Comme représenté sur la , une direction d’écoulement D2-1 du deuxième mélange gazeux G2 au niveau de la deuxième entrée E2 forme avec une direction d’écoulement D1 du premier mélange gazeux G1 un angle a2 compris entre 120° et 150°. La deuxième entrée E2 est plus proche de la première sortie S1 que de la première entrée E1.
Une direction d’écoulement D2-2 du deuxième mélange gazeux G2 au niveau de la deuxième sortie S2 forme avec une direction d’écoulement D1 du premier mélange gazeux G1 un angle a1 compris entre 30° et 60°. La deuxième sortie S2 est plus proche de la première entrée E1 que de la première sortie E1.
Cette disposition fait que le deuxième mélange gazeux G2 effectue deux changements de direction en passant de la deuxième entrée E2 à la deuxième sortie S2, la trajectoire étant similaire à une courbe en forme de S, comme montré sur la . Entre ces deux changements de direction, l’écoulement du deuxième mélange gazeux G2 est sensiblement à contre-courant par rapport à l’écoulement du premier mélange gazeux G1. L’échange de molécules d’eau entre le deuxième mélange gazeux G2 et le premier mélange gazeux G1 est ainsi amélioré.
Claims (15)
- Humidificateur d’air (20) pour pile à combustible (50), comportant :
- une enceinte (1),
- un ensemble de tubes (2) disposés dans l’enceinte (1) et espacés les uns des autres, formant une superposition de tubes (2),
l’ensemble des espaces intérieurs des tubes (2) formant un ensemble de premiers canaux (3) longitudinaux, configurés pour faire circuler un premier mélange gazeux (G1) possédant un premier taux d’humidité (T1),
l’ensemble des espaces séparant deux tubes (2) consécutifs de l’ensemble de tubes (2) formant un ensemble de deuxième canaux (4) transversaux, configurés pour faire circuler un deuxième mélange gazeux (G2) entre un premier bord transversal (5,5’) de l’ensemble de tubes (2), dit bord incident, et un deuxième bord transversal (6,6’) de l’ensemble de tubes (2), dit bord de fuite,
le deuxième mélange gazeux (G2) possédant un deuxième taux d’humidité (T2) supérieur au premier taux d’humidité (T1),
dans lequel les tubes (2) comprennent chacun une membrane (7) configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans le deuxième mélange gazeux (G2) de passer dans le premier mélange gazeux (G1) de façon à augmenter le taux d’humidité du premier mélange gazeux (G1),
et dans lequel l’ensemble de tubes (2) comprend une alternance de tubes comportant un bord incident (5) bombé et un bord de fuite (6) plat avec des tubes comportant un bord incident (5’) plat et un bord de fuite (6’) bombé. - Humidificateur d’air (20) selon la revendication 1, dans lequel les tubes (2) de l’ensemble de tubes s’étendent longitudinalement selon un premier axe (X) et s’étendent transversalement selon un deuxième axe (Y) reliant le bord incident (5) d’un tube (2) et le bord de fuite (6) d’un tube (2), dans lequel l’axe longitudinal (X) d’un tube est parallèle à l’axe longitudinal (X) des autres tubes,
et dans lequel les tubes (2) sont superposés le long d’un axe (Z) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X) et perpendiculaire à l’axe transversal (Y). - Humidificateur d’air (20) selon la revendication 2, dans lequel les tubes (2) de l’ensemble de tubes (2) possèdent un profil transversal identique,
et dans lequel l’orientation d’un tube (2) par rapport à un tube consécutif correspond à une rotation de 180° relativement à un axe longitudinal (X) du tube. - Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les tubes (2) sont formés par une bande (8) de membrane (7) repliée sur elle-même le long d’un axe médian (M), un premier bord (11) de la bande (8) étant solidarisé avec un deuxième bord (12) de la bande (8) selon une surface de recouvrement (9).
- Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les tubes (2) sont formés par deux bandes (8, 8’) de membrane, chaque bord (11,12) d’une bande (8,8’) étant solidarisé avec un bord (11’, 12’) de l’autre bande (8’,8) selon une surface de recouvrement (9,9’).
- Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications 1 à 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel l’axe transversal (Y) de chacun des tubes (2) est parallèle à l’axe transversal des autres tubes.
- Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications 1 à 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel l’axe transversal (Y) d’une partie des tubes (2) forme un angle (b) avec l’axe transversal des autres tubes (2).
- Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les tubes (2) possèdent un profil comportant une première zone (15) d’épaisseur (h) continument croissante en s’éloignant du bord bombé (5) du tube le long de l’axe transversal (Y) des tubes (2),
et dans lequel les tubes (2) possèdent un profil comportant une deuxième zone (16) d’épaisseur continument croissante en s’éloignant du bord plat (6) du tube le long de l’axe transversal (Y) des tubes (2). - Humidificateur d’air (20) selon la revendication précédente, dans lequel la première zone (15) s’étend le long de l’axe transversal (Y) des tubes (2) entre le bord bombé (5) d’un tube et un point (17) de hauteur maximale (H) du profil,
et dans lequel la deuxième zone (16) s’étend le long de l’axe transversal (Y) des tubes (2) entre le bord plat (6) d’un tube et le point (17) d’épaisseur maximale du profil. - Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les tubes (2) possèdent un profil symétrique par rapport à un axe transversal (Y) reliant le bord incident (5) et le bord de fuite (6).
- Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les tubes (2) possèdent un profil dissymétrique par rapport à un axe transversal (Y) reliant le bord incident (5) et le bord de fuite (6).
- Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier mélange gazeux (G1) circule entre une première entrée (E1) et une première sortie (S1) de l’humidificateur d’air (20),
dans lequel le deuxième mélange gazeux circule entre une deuxième entrée (E2) et une deuxième sortie (S2) de l’humidificateur d’air (20),
dans lequel l’enceinte (1) possède une forme générale parallélépipédique,
et dans lequel :
la première entrée (E1) et la première sortie (S1) sont agencées sur une première paire de faces opposées de l’enceinte (1),
et la deuxième entrée (E2) et la deuxième sortie (S2) sont agencées sur une deuxième paire de faces opposées de l’enceinte (1). - Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications précédentes, comprenant :
- une première plaque (18) de maintien des tubes (2),
la première plaque (18) comportant un premier ensemble de cavités traversantes (28) dans lesquelles les tubes (2) sont disposés, les cavités (28) ayant une forme complémentaire au profil transversal des tubes (2),
- une deuxième plaque (19) de maintien des tubes (2),
la deuxième plaque (19) comportant un deuxième ensemble de cavités traversantes (29) dans lesquelles les tubes (2) sont disposés, les cavités (29) ayant une forme complémentaire au profil transversal des tubes (2). - Humidificateur d’air (20) selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 12, dans lequel une direction d’écoulement (D2-1) du deuxième mélange gazeux (G2) au niveau de la deuxième entrée (E2) forme avec une direction d’écoulement (D1) du premier mélange gazeux (G1) un angle (a2) compris entre 120° et 150°,
la deuxième entrée (E2) étant plus proche de la première sortie (S1) que de la première entrée (E1),
et dans lequel une direction d’écoulement (D2-2) du deuxième mélange gazeux (G2) au niveau de la deuxième sortie (S2) forme avec une direction d’écoulement (D1) du premier mélange gazeux (G1) un angle (a1) compris entre 30° et 60°,
la deuxième sortie (S2) étant plus proche de la première entrée (E1) que de la première sortie (E1). - Procédé de réalisation d’un tube d’un humidificateur d’air (20), comprenant les étapes :
- fournir une bande (8) de membrane (7), la membrane (7) étant configurée pour permettre à une partie de l’eau contenue dans un premier mélange gazeux en contact avec une face de la membrane (7) de passer dans un deuxième mélange gazeux en contact avec une face opposée de la membrane (7),
- replier la bande (8) sur elle-même le long d’un axe médian (M),
- solidariser un premier bord (11) de la bande (8) avec un deuxième bord (12) de la bande (8) selon une surface de recouvrement (9) de façon à former un tube (2) ayant un premier bord transversal (5) bombé et un deuxième bord transversal (6) plat.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2208728A FR3139246A1 (fr) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | Humidificateur d’air pour pile à combustible |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2208728A FR3139246A1 (fr) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | Humidificateur d’air pour pile à combustible |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3139246A1 true FR3139246A1 (fr) | 2024-03-01 |
Family
ID=85017878
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2208728A Pending FR3139246A1 (fr) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | Humidificateur d’air pour pile à combustible |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3139246A1 (fr) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020138173A (ja) * | 2019-03-01 | 2020-09-03 | トヨタ紡織株式会社 | 水蒸気透過膜の積層体及びその製造方法 |
| DE102020129403A1 (de) * | 2020-11-09 | 2022-05-12 | GMT Membrantechnik GmbH | Membrankontaktor zur Übertragung von Wasserdampf zwischen zwei Gasströmen |
| JP2022080281A (ja) * | 2020-11-17 | 2022-05-27 | マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 加湿装置用積層ユニット |
-
2022
- 2022-08-31 FR FR2208728A patent/FR3139246A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020138173A (ja) * | 2019-03-01 | 2020-09-03 | トヨタ紡織株式会社 | 水蒸気透過膜の積層体及びその製造方法 |
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| JP2022080281A (ja) * | 2020-11-17 | 2022-05-27 | マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 加湿装置用積層ユニット |
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