WO2024141653A1 - Dispositif de refroidissement pour pile à combustible à hydrogène - Google Patents

Dispositif de refroidissement pour pile à combustible à hydrogène Download PDF

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WO2024141653A1
WO2024141653A1 PCT/EP2023/088008 EP2023088008W WO2024141653A1 WO 2024141653 A1 WO2024141653 A1 WO 2024141653A1 EP 2023088008 W EP2023088008 W EP 2023088008W WO 2024141653 A1 WO2024141653 A1 WO 2024141653A1
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radiator
water
spraying
air
cooling
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PCT/EP2023/088008
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Natan LENAIN
Quentin D'AVOUT
Pierre-Antoine MÜLLER
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Hopium
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the field of the invention is that of hydrogen fuel cells. More specifically, the invention concerns the improvement of the use and efficiency of such batteries, and in particular the cooling of these batteries, and/or associated equipment which may require cooling (batteries, motors, etc.). ) at least under certain conditions.
  • Such batteries find applications in numerous fields, since it is necessary to produce electrical energy, in particular autonomously, for example in vehicles (automobiles, utility vehicles, trucks, buses, trains, boats, aircraft, etc.), generators, etc.
  • the operation of the hydrogen vehicle is based on a chemical reaction produced between the oxygen captured from outside the vehicle and the hydrogen stored in its tank. This reaction is carried out within a hydrogen fuel cell, the principle of which has been known for many years. It has been particularly implemented in the space sector, and numerous projects have also been developed by different automobile manufacturers.
  • the latter is in contact with the air brought in from the outside, the dioxygen molecules O 2 of which combine with the H + ions and the e electrons to produce water (H 2 O).
  • This water and unused air are evacuated.
  • the anode is the element in which oxidation occurs: H 2 — > 2H + + 2e
  • the cathode is the element in which reduction occurs: O 2 + 4H + + 4e — > 2H 2 O
  • the electrons flow between the anode and the cathode, producing an electric current, which is used as propulsion energy to drive the motor.
  • the water produced by this reaction it can be released into the environment, or recovered in whole or in part for the vehicle, for example for supplying water to the windshield wipers.
  • cooling means for hydrogen fuel cell systems which do not require the use of very specific nozzles and which can be produced and implemented in a manner simple to effectively cool the radiator, and where applicable the surrounding elements, of a fuel cell, in particular during power peaks during which the radiator does not effectively fulfill its cooling function due to overheating .
  • the need for cooling is significant, in certain situations, compared for example to a heat engine, which operates at a higher temperature than a battery, and which can evacuate a substantial part of the temperature via the exhaust .
  • the device comprises at least one means for spraying water contained in the tank to spray it in a spray zone close to the radiator, but not on the radiator, so as to humidify and refresh the air present in the spraying zone and to at least partially vaporize the sprayed water before it comes into contact with the radiator.
  • the water droplets projected into an area close to the radiator, but not directly onto it evaporate and/or gradually vaporize into smaller droplets, or microdroplets, on contact with the radiator. air present in this zone, and cool the air upstream of the radiator while loading it with humidity. In other words, this makes it possible to increase the heat capacity of the air upstream of the radiator, before the microdroplets come into contact with the radiator. Subsequently, at least part of these microdroplets are directed by an air flow towards the radiator and pass directly through it to cool it. Thus, it is possible to obtain microdroplets having sufficiently small sizes, for example less than 50 pm, and to cool the radiator without damaging it, with a cooling system equipped with conventional nozzles.
  • the term “upstream of the radiator” means an area located between the radiator and the front of the vehicle.
  • the device comprises at least one fan, capable of directing the air present in the spraying zone towards the radiator(s).
  • the radiator(s) can be equipped with one, or associated with one or more fans for forcing the air flow towards the radiator.
  • the at least spraying means is capable of producing by spraying water droplets with an average diameter DI equal to or greater than 100 ⁇ m, the water droplets vaporizing into microdroplets of water of a average diameter D2 less than Dl, in contact with air in the spraying zone.
  • the term “the water droplets vaporizing into microdroplets of water” means a progressive reduction in size and diameter of the sprayed droplets. This reduction results in particular from the vaporization of droplets in the air of the spraying zone.
  • the device is configured so that at least 50% of the microdroplets have a diameter less than 75 ⁇ m when they come into contact with the radiator.
  • the cooling device comprises at least two water spraying means arranged on either side of the radiator and oriented towards the front of the vehicle and form an angle greater than or equal to the main plane of the radiator. equal to 20°.
  • the cooling device comprises at least two water spraying means which are arranged on either side of the radiator and oriented towards the front of the vehicle and form an angle with the main plane of the radiator greater than 20° and less than 90°.
  • the spraying means produce water droplets under excess pressure, advantageously at a pressure of between 3 and 4 bars.
  • the cooling device further comprises means for controlling the spraying means, to control the activation and/or adjustment of the spraying means.
  • the activation of the spraying means takes into account at least one predetermined criterion belonging to the group comprising:
  • the vehicle components to be cooled include in particular the passenger compartment air conditioning, the supercharged air radiator, the electrical/electronic components of the vehicle.
  • the adjustment of the spraying means acts on at least one adjustment belonging to the group comprising:
  • these spray nozzles 31 can be one, two, or four in number.
  • the spray nozzles 31, located on either side of the radiator, are supplied by pumping means 6 which recover a quantity of water stored in the water tank 2, and then diffuse water upstream of the radiator.
  • the droplets (G) of this water vaporize into smaller microdroplets (g), and/or into steam. In other words, as they vaporize, the droplets lose liquid water and, therefore, their size reduces.

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Abstract

Dispositif de refroidissement (D) pour une pile à combustible à hydrogène (1), comprenant au moins un radiateur (3) et au moins un réservoir (2) pour recueillir au moins une partie de l'eau produite par ladite pile à combustible (1), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen de pulvérisation (31) d'eau contenue dans ledit réservoir (2) pour la pulvériser dans une zone de pulvérisation voisine dudit radiateur (3), mais non sur ledit radiateur (3), de façon à humidifier et rafraichir l'air présent dans ladite zone de pulvérisation et à vaporiser au moins partiellement l'eau pulvérisée avant qu'elle vienne en contact avec ledit radiateur (3).

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif de refroidissement pour pile à combustible à hydrogène
1. Domaine de l’invention
[0001] Le domaine de l’invention est celui des piles à combustible à hydrogène. Plus précisément, l'invention concerne l'amélioration de l'utilisation et de l'efficacité de telles piles, et en particulier le refroidissement de ces piles, et/ou d'équipements associés pouvant nécessiter un refroidissement (batteries, moteurs...) au moins dans certaines conditions.
[0002] De telles piles trouvent des applications dans de nombreux domaines, dès lors qu'il est nécessaire de produire de l'énergie électrique, notamment de façon autonome, par exemple dans des véhicules (automobiles, utilitaires, camions, bus, trains, bateaux, aéronefs...), des groupes électrogènes...
2. Art antérieur
[0003] Le principe de la pile à combustible est connu depuis de très nombreuses années. Il a été notamment mis en œuvre dans le domaine spatial, et de nombreux projets ont également été développés par différents constructeurs automobiles. De nombreuses applications sont également envisageables dans d'autres types de transport, et plus généralement dans les domaines où une production d'électricité est nécessaire, par exemple pour les groupes électrogènes.
[0004] L’industrie automobile notamment ne cesse d’explorer de nouvelles voies pour assurer une mobilité plus propre, afin de tenter de diminuer les effets néfastes causés par les véhicules et les énergies fossiles. L’une des voies étudiées est la limitation d’émission de rejets polluants dans l’air. Des véhicules à hydrogène ont notamment été développés, dans le but de répondre aux nouveaux besoins environnementaux. Contrairement aux véhicules thermiques, les véhicules à hydrogène ont pour principal avantage de ne pas produire de rejets nocifs pour l’environnement.
[0005] Le fonctionnement du véhicule à hydrogène est basé sur une réaction chimique produite entre le dioxygène capté de l’extérieur du véhicule et l’hydrogène stocké dans son réservoir. Cette réaction est réalisée au sein d’une pile combustible à hydrogène, dont le principe est connu depuis de très nombreuses années. Il a été notamment mis en œuvre dans le domaine spatial, et de nombreux projets ont également été développés par différents constructeurs automobiles.
[0006] Une pile à combustible à hydrogène produit de l'énergie électrique par une réaction chimique entre l'hydrogène (H2) et le dioxygène (O2). Cette réaction chimique est décrite par les équations ci-dessous : [0007] [Chem 1] H2 --> 2/A + 2e
O2 + 47/+ + 2e -> 2/fiO
Figure imgf000004_0001
[0008] Cette réaction se produit dans ce que l'on appelle une zone active d'un ensemble membrane-électrode (AME - ou MEA en anglais, pour "Membrane Electrode Assembly"), c'est-à-dire un empilement de membranes permettant l'échange d'ions H+, placé entre une anode, recevant de l'hydrogène depuis un réservoir, et une cathode recevant du dioxygène (O2) à partir de l'air extérieur. Le carburant, l'hydrogène (H2), est introduit dans la pile, pour venir en contact avec l'anode. Une partie de l'hydrogène pénètre dans l'anode, dans laquelle les molécules d'hydrogène sont séparées en électrons e et en ions H+ qui traversent l'électrolyte vers la cathode. Cette dernière est en contact avec l'air amené depuis l'extérieur dont les molécules de dioxygène O2 se combinent avec les ions H+ et les électrons e pour produire de l'eau (H2O). Cette eau et l'air non utilisé sont évacués. L'anode est l'élément dans lequel se produit l'oxydation : H2 — > 2H+ + 2e , et la cathode est l'élément dans lequel se produit la réduction : O2 + 4H+ + 4e — > 2H2O. Les électrons e circulent entre l'anode et la cathode, produisant un courant électrique, qui est utilisé comme énergie de propulsion pour entrainer le moteur. Quant à l’eau produite par cette réaction, elle peut être rejetée dans l’environnement, ou récupérée en totalité ou en partie pour le véhicule, par exemple pour l’approvisionnement en eau des essuie-glaces.
[0009] Cette réaction est cependant exothermique, et les différents éléments constitutifs de la pile peuvent s'échauffer rapidement. D'autres éléments du véhicule, tels que les moteurs électriques, les batteries... ont également tendance à chauffer. Certains de ces éléments, voire le système entier, doivent donc être refroidis. Pour ce faire, les véhicules, et notamment les véhicules à hydrogène, sont classiquement équipés d'un ou plusieurs radiateurs destinés à refroidir ces éléments.
[0010] Afin d’améliorer les performances de refroidissement du radiateur, il a été envisagé d'exploiter de l'eau pour le refroidir, et en particulier l’eau produite par la pile, notamment par la réaction électrochimique décrite ci-dessus. L’eau récoltée est alors astucieusement réutilisée dans le but de refroidir le radiateur, et plus généralement le liquide de refroidissement circulant dans celui-ci, le condenseur, la valise de refroidissement, et/ou des éléments auxiliaires de pile.
[0011] On connait ainsi un système de refroidissement, tels que décrit dans le document de brevet JP2001357864A, qui consiste à envoyer de l'eau, sous forme de microgouttelettes, sur le radiateur, et plus précisément sur les ailettes (appelées «fins » en anglais) de ce radiateur.
[0012] Cependant, les gouttelettes envoyées sur la surface du radiateur selon cette approche sont susceptibles d’endommager celui-ci, et/ou de bloquer une partie de l'échange de chaleur sur une portion de l'ailette. Par conséquent, et comme détaillé dans le document JP2001357864A, pour limiter les dommages provoqués par l’eau, il est primordial que de tels systèmes de refroidissement produisent des microgouttelettes de tailles très petites, c’est-à-dire de l’ordre de 50 pm maximum.
[0013] De tels systèmes ont pour inconvénient de nécessiter d’utiliser des buses très spécifiques, et par conséquent coûteuses, pour produire des aérosols constitués de microgouttelettes comprenant chacune une taille inférieure à 50 pm.
[0014] D’autres systèmes nécessitent de fournir une haute température afin de produire une vapeur constituée de microgouttelettes d’une telle taille. Une utilisation de températures élevées entraine cependant une moins bonne performance du dispositif. En effet, l’eau chauffée à de telles températures se retrouve rapidement évaporée dans l’air environnant, et seule une partie de cette quantité d’eau peut atteindre le radiateur. De ce fait, le refroidissement du radiateur par les microgouttelettes d’eau se trouve amoindri.
[0015] En conséquence, il existe un besoin de fournir des moyens de refroidissement (ou module de refroidissement) de systèmes à pile à combustible à hydrogène ne nécessitant pas l’utilisation de buses très spécifiques et pouvant être réalisés et mis en œuvre de façon simple pour refroidir de façon efficace le radiateur, et le cas échéant les éléments environnant, d'une pile à combustible, en particulier lors de pics de puissance au cours desquels le radiateur ne remplit pas efficacement sa fonction de refroidissement à cause d'une surchauffe. Il est à noter que le besoin de refroidissement est important, dans certaines situations, comparé par exemple à un moteur thermique, qui fonctionne à une température plus élevée qu'une pile, et qui peut évacuer une partie substantielle de la température via l'échappement.
[0016] Pour obtenir une efficacité similaire à celle d'un moteur thermique, en particulier dans les situations de pics de puissance, il serait donc nécessaire d'utiliser des surfaces de radiateurs substantiellement plus importantes, mais ceci n'est généralement pas possible, pour une intégration acceptable du module de refroidissement, par exemple dans un véhicule automobile.
3. Objectifs de l’invention
[0017] L’invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l’art antérieur, et de proposer une amélioration des systèmes de refroidissement pour piles à combustible, permettant de maximiser l’efficacité du système de refroidissement. Par système de refroidissement on entend ici tout ou partie d'un échangeur thermique utilisant l'air ambiant pour refroidir un fluide caloporteur, par exemple un ou plusieurs radiateurs, un condenseur, et/ou un radiateur d’air suralimenté.
[0018] L'invention a également pour objectif de fournir une technique permettant d'assurer une efficacité suffisamment tout en conservant une compacité acceptable du module de refroidissement.
[0019] Un autre objectif de l’invention est d'optimiser, notamment réduire, l’activité du radiateur lors d'épisodes de surchauffe du système de refroidissement, tout en conservant des performances suffisantes.
4. Présentation de l’invention
[0020] Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l’aide d’un dispositif de refroidissement pour une pile à combustible à hydrogène, comprenant au moins un radiateur et au moins un réservoir pour recueillir au moins une partie de l'eau produite par la pile à combustible.
[0021] Selon l’invention, le dispositif comprend au moins un moyen de pulvérisation d’eau contenue dans le réservoir pour la pulvériser dans une zone de pulvérisation voisine du radiateur, mais non sur le radiateur, de façon à humidifier et rafraichir l'air présent dans la zone de pulvérisation et à vaporiser au moins partiellement l'eau pulvérisée avant qu'elle vienne en contact avec le radiateur.
[0022] De cette manière, les gouttelettes d’eau projetées dans une zone voisine du radiateur, mais non directement sur celui-ci, s’évaporent et/ou se vaporisent progressivement en de plus petites gouttelettes, ou microgouttelettes, au contact de l’air présent dans cette zone, et refroidissent l’air en amont du radiateur tout en le chargeant en humidité. Autrement dit, ceci permet d’augmenter la capacité calorifique de l’air en amont du radiateur, avant que les microgouttelettes ne viennent en contact avec le radiateur. Par la suite, au moins une partie de ces microgouttelettes sont dirigées par un flux d’air vers le radiateur et traversent directement celui-ci pour le refroidir. Ainsi, il est possible d’obtenir des microgouttelettes ayant des tailles suffisamment petites, par exemple inférieures à 50 pm, et de rafraichir le radiateur sans l’endommager, avec un système de refroidissement équipé de buses classiques.
[0023] Il est à noter que, dans la présente description, les indications de tailles correspondent à des diamètres de référence de gouttelettes ou microgouttelettes, étant entendu qu'en pratique, ce diamètre peut être légèrement variable d'une gouttelette à l'autre. Cette taille peut être en outre d’autant plus réduite que la distance parcourue par les gouttelettes est grande.
[0024] De façon préférentielle, le dispositif est mis en œuvre dans un véhicule, et en ce que la zone de pulvérisation est placée en amont du radiateur, par rapport au sens de déplacement du véhicule.
[0025] Dans ce cas, on entend par « en amont du radiateur » une zone située entre le radiateur et l’avant du véhicule. L’homme du métier adaptera facilement à d’autres mises en œuvre un tel système de refroidissement, notamment dans les cas où le radiateur se situerait à l’arrière du véhicule. [0026] De façon avantageuse, le dispositif comprend au moins un ventilateur, apte à diriger l'air présent dans la zone de pulvérisation vers le ou les radiateurs.
[0027] En effet, le ou les radiateur(s) peuvent être équipés d'un, ou associés à un, ou plusieurs ventilateurs pour le forçage du flux d'air vers le radiateur.
[0028] Avantageusement, le au moins moyen de pulvérisation est apte à produire par pulvérisation des gouttelettes d'eau d'un diamètre moyen DI égal ou supérieur à 100 pm, les gouttelettes d’eau se vaporisant en microgouttelettes d’eau d'un diamètre moyen D2 inférieur à Dl, au contact de l’air dans la zone de pulvérisation.
[0029] Dans la présente description, on entend par « les gouttelettes d’eau se vaporisant en microgouttelettes d’eau » une diminution en taille et en diamètre progressive des gouttelettes pulvérisées. Cette diminution résulte en particulier de la vaporisation des gouttelettes dans l’air de la zone de pulvérisation.
[0030] Ainsi, il est possible avec un tel dispositif de refroidissement d’utiliser des moyens de pulvérisation classiques présents dans le commerce, tels que des buses de pulvérisation, et notamment des buses de pulvérisation de lave- vitres automobiles ou les buses utilisées dans le domaine agricole
[0031] De préférence, le dispositif est configuré pour qu'au moins 50% des microgouttelettes présentent un diamètre inférieur à 75 pm au moment d'entrer en contact avec le radiateur.
[0032] L'obtention de microgouttelettes présentant de telles tailles au moment du contact avec le radiateur permet d’éviter l’endommagement et le dépôt d’eau sur le radiateur.
[0033] De préférence, le dispositif de refroidissement comporte au moins deux moyens de pulvérisation de l’eau disposés de part et d’autre du radiateur et orientés vers l’avant du véhicule et forment avec le plan principal du radiateur un angle supérieur ou égal à 20°.
[0034] Une telle orientation des moyens de pulvérisation permet d’assurer une pulvérisation ou projection de l’eau sans la mettre en contact avec le radiateur. L’eau diffusée se vaporise ainsi au contact de l’air, notamment de l'air non chargé en humidité (ou autrement appelé « air non saturé », ou « air sec »), autrement dit, les gouttelettes projetées diminuent en taille et chargent l’air en humidité. La vaporisation des gouttelettes permet ainsi d’augmenter la capacité calorifique de l’air. Un tel dispositif permet, d’une part, une diminution de la température de l’air destiné à traverser le radiateur, et d’autre part, que les gouttelettes d’eau contenues dans le flux d’air traversant le radiateur n’entrent en contact avec le radiateur qu’ après avoir été réduites en diamètres.
[0035] De façon préférentielle, dispositif de refroidissement comporte au moins deux moyens de pulvérisation de l’eau qui sont disposés de part et d’autre du radiateur et orientés vers l’avant du véhicule et forment avec le plan principal du radiateur un angle supérieur à 20° et inférieur à 90°.
[0036] De façon préférentielle, les moyens de pulvérisation produisent des gouttelettes d'eau en surpression, avantageusement à une pression comprise entre 3 et 4 bars.
[0037] De préférence, le dispositif de refroidissement comprend en outre des moyens de pilotage des moyens de pulvérisation, pour contrôler l'activation et/ou le réglage des moyens de pulvérisation.
[0038] Avantageusement, l’activation des moyens de pulvérisation tient compte d’au moins un critère prédéterminé appartenant au groupe comprenant :
[0039] - une vitesse de déplacement ;
[0040] - un débit d’air traversant le radiateur ;
[0041] - une température extérieure ;
[0042] - une température ou une puissance thermique dissipée par la pile et/ou d'autres composants associés ;
[0043] - des conditions hygrométriques ;
[0044] - un besoin en refroidissement des organes du véhicule.
[0045] Les organes du véhicule à refroidir comprennent notamment la climatisation habitacle, le radiateur d’air suralimenté, les composants électriques / électroniques du véhicule.
[0046] Avantageusement, le réglage des moyens de pulvérisation agit sur au moins un réglage appartenant au groupe comprenant :
[0047] - une quantité d'eau délivrée par unité de temps ;
[0048] - un nombre de moyens de pulvérisation activés ;
[0049] - une durée et/ou une fréquence de pulvérisation ;
[0050] - une pression de pulvérisation ;
[0051] - un débit de pulvérisation.
[0052] Ces objectifs sont également atteints à travers l’utilisation d'un dispositif de refroidissement pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant :
[0053] - les véhicules automobiles ;
[0054] - les véhicules utilitaires ;
[0055] - les autobus ou les camions ;
[0056] - les trains ;
[0057] - les bateaux ;
[0058] - les aéronefs ;
[0059] - les groupes électrogènes.
[0060] Ces objectifs sont également atteints à l’aide d’un procédé de refroidissement d’une pile à combustible à hydrogène, produisant notamment de l'électricité et de l'eau, le procédé mettant en œuvre un dispositif de refroidissement, le procédé de refroidissement comprend les étapes de : [0061] - recueil d'au moins une partie de l'eau produite par la pile à combustible dans un réservoir ;
[0062] - détermination d'un besoin de refroidissement ;
[0063] - pulvérisation d’eau contenue dans le réservoir ;
[0064] - dans une zone de pulvérisation voisine du radiateur, mais non sur le radiateur, de façon à humidifier et rafraichir l'air présent dans la zone de pulvérisation et à vaporiser au moins partiellement l'eau pulvérisée avant qu'elle vienne en contact avec le radiateur.
5. Liste des figures
[0065] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de mise en œuvre, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées parmi lesquels :
[0066] [Fig-1] : la [Fig.l] illustre une vue schématique de dessus des principaux éléments d’un véhicule automobile à pile à combustible à hydrogène comportant un dispositif de refroidissement selon l’invention ;
[0067] [Fig.2] : la [Fig.2] illustre une vue de face du dispositif de refroidissement de la
[Fig.l] ;
[0068] [Fig.3] : la [Fig.3] est une vue schématique détaillée de face du dispositif de refroidissement de la [Fig.l] selon un deuxième mode de réalisation ;
[0069] [Fig.4] : la [Fig.4] est une vue schématique similaire à la [Fig.l], illustrant la mise en œuvre de moyens de pilotage ;
[0070] [Fig.5] : la [Fig.5] est une vue schématique similaire à la [Fig.l], illustrant la mise en œuvre de moyens de ventilation pour guider le flux d'air.
6. Description détaillée de l’invention
[0071] L'invention propose donc une approche nouvelle et inventive du refroidissement d'un radiateur, d'un condenseur et/ou d'éléments associés nécessitant un refroidissement, à l'aide de l'eau produit par une pile à combustible à hydrogène. Ainsi, l'invention repose sur une approche opposée et contre-intuitive par rapport à l'art antérieur, consistant à diffuser de l'eau pour le refroidissement d'un radiateur non pas vers et sur ce radiateur, mais dans une zone voisine de celui-ci, dite zone de pulvérisation. Ainsi, l'eau n'a pas besoin d'être pulvérisée sous forme de microgouttelettes de tailles très réduites, nécessitant des moyens de pulvérisation précis et coûteux, pour ne pas détériorer le radiateur. En effet, des gouttelettes de taille classique, telles que celles délivrées par exemple par un système de lave-glace dans un véhicule, peuvent être utilisées. Pour ceci, selon l'invention, les gouttelettes sont diffusées dans une zone de pulvérisation, dans laquelle, par contact avec l'air ambiant, elles se vaporisent d'elles-mêmes jusqu'à atteindre, en moyenne, le diamètre requis pour ne pas endommager le radiateur, avant d'être dirigées vers le radiateur, en exploitant un flux d'air généré par le déplacement du véhicule, si l'invention est mise en œuvre dans un véhicule, et/ou par un ou plusieurs ventilateurs.
[0072] Cette approche permet en outre de refroidir et d'humidifier l'air avant qu'il rentre en contact avec le radiateur.
[0073] Dans la présente description, l’invention est illustrée par un dispositif de refroidissement pour un véhicule, mais peut être appliqué à tout système à pile à combustible comprenant un élément nécessitant un refroidissement. La [Fig.l] illustre schématiquement les principaux éléments d'un mode de réalisation de l'invention dans un véhicule automobile à pile à combustible à hydrogène comportant un dispositif de refroidissement selon l’invention.
[0074] Le système comprend une pile à combustible 1, produisant de l'électricité et de l'eau. Au moins une partie de cette eau est recueillie dans un réservoir d’eau 2. Des buses de pulvérisation 31 sont prévues, pour pulvériser cette eau en amont d'un radiateur 3, lorsqu'un besoin de refroidissement de celui-ci est identifié. Le véhicule se déplace selon un sens de déplacement 10, générant en amont du radiateur 3 (placé ici à l'avant du véhicule) un flux d'air 40 dans un sens opposé au sens de déplacement 10.
[0075] Comme déjà mentionné, l'approche de l'invention permet d'utiliser des buses standard, et ne nécessite pas de buses spécifiques et coûteuses configurées pour produire des microgouttelettes de diamètre réduit, nécessaire pour ne pas détériorer le radiateur selon l'art antérieur.
[0076] Dans la présente demande, on définit comme étant situé « en amont » tout objet positionné d’avantage vers l’avant du véhicule ou du système par rapport à un autre objet. De la même manière, on définit comme étant situé « en aval » tout objet positionné d’avantage vers l’arrière du véhicule ou du système par rapport à un autre objet. a) Pile
[0077] La pile à combustible 1 produit de l'énergie électrique par une réaction électrochimique entre le dihydrogène (H2) et le dioxygène (O2). Pour ce faire, la pile à combustible 1 est constituée d'un empilement de cellules, placées entre deux plaques d'extrémité (non représentées), et d’une membrane électrolyte polymère positionnée entre les deux plaques. Elle comprend, de manière usuelle, deux plaques bipolaires ou monopolaires. Les plaques monopolaires sont les premières et les dernières plaques de l'empilement des cellules. Elles ont généralement le même design qu'une plaque bipolaire, mais des entrées sont fermées de sorte que la plaque ne reçoit pas l'un des gaz. La pile comprend une plaque monopolaire cathodique ne recevant pas d'hydrogène (constituant la cathode) et une plaque monopolaire anodique ne recevant pas de dioxygène (constituant l’anode).
[0078] Les plaques bipolaires, empilées entre les deux plaques monopolaires, sont constituées par l'assemblage de deux parties de plaques métalliques (une demie-plaque anodique et une demie-plaque cathodique), qui peuvent être soudées, brasées ou collées.
[0079] Suite à la réaction électrochimique, l’eau produite par la pile 1 est souvent perdue. Elle peut cependant être récupérée, notamment pour participer au refroidissement du radiateur 3. Comme rappelé en préambule, il a ainsi été proposé d'exploiter cette eau pour refroidir le radiateur, en l'envoyant sous forme de microgouttelettes de diamètres très réduits, sur celui-ci. Une pompe récupère ainsi l’eau produite par la pile 1 afin de la stocker dans un réservoir d’eau 2. b) Radiateur
[0080] De façon classique, un véhicule est équipé d’un dispositif de refroidissement, mettant en œuvre un ou plusieurs radiateurs 3 dans lequel circule un liquide de refroidissement. Le circuit de refroidissement permet de refroidir un ou plusieurs éléments ayant tendance à chauffer en utilisation, tel que les moteurs, les batteries.
[0081] Le radiateur 3 présente, de façon classique, une grande surface de contact, sous la forme d'ailettes, vers laquelle est dirigée l'air pénétrant dans le véhicule lorsqu'il se déplace, pour refroidir cette surface, et par conséquent le fluide caloporteur circulant à l'intérieur du radiateur.
[0082] Dans les modes de réalisation représentés sur les Ligures 1 à 3, le radiateur, classique en lui-même, s’étend dans un plan vertical. c) Buses
[0083] Selon la présente invention, on met en œuvre une approche différente de l'art antérieur, apportant un résultat plus efficace à l’aide de moyens moins coûteux. En effet, l’eau n’est pas directement projetée sur le radiateur, mais dans une zone de vaporisation, pouvant par exemple être en amont de celui-ci, pour humidifier et refroidir l'air présent avant que celui-ci entre en contact avec le radiateur. Ainsi, les gouttelettes projetées sont vaporisées avant le contact avec le radiateur, sans qu'il soit nécessaire de produire des gouttelettes de très petites tailles (ce qui est le cas lorsqu'elles sont directement projetées sur le radiateur). Plus précisément, les gouttelettes se vaporisent ou s’évaporent au contact de l’air non chargé en humidité. En outre, l'air en amont du radiateur et destiné à traverser le radiateur est non seulement rafraichi, mais également plus humide, ce qui augmente l'efficacité du refroidissement assuré par le radiateur.
[0084] Le dispositif de refroidissement comprend des moyens de pulvérisation de l’eau, appelées également « buses de pulvérisation », qui permettent de diffuser l’eau provenant du réservoir d’eau 2, par exemple à l'aide d'une pompe 6, vers une zone de pulvérisation ZP, placée ici en amont du radiateur. Dans la présente demande, on entend par « pulvérisation » de l’eau, la diffusion ou projection, ou vaporisation de l’eau en amont du radiateur par les moyens de pulvérisation. La zone ZP est placée à proximité du radiateur, mais suffisamment éloignée pour que les gouttelettes aient le temps de se vaporiser, et donc de voir leur diamètre moyen réduit, avant de venir en contact avec le radiateur. L'orientation des buses est donc adaptée, pour que les gouttelettes qu'elles projettent ne soient pas dirigées vers le radiateur, mais au contraire vers cette zone de pulvérisation ZP. d) Air refroidi à l’avant du radiateur Premier mode de réalisation
[0085] On représente en relation avec les Figures 2 et 3, un premier mode de réalisation du dispositif de refroidissement selon l’invention, et notamment de distribution des buses.
[0086] Dans le mode de réalisation représenté sur ces figures, le radiateur 3 du dispositif de refroidissement présente une forme plane et s’étend dans un plan principal 300. Le plan principal 300 s’étend dans une direction sensiblement verticale, et est sensiblement perpendiculaire avec le sens de déplacement (10) du véhicule.
[0087] Des buses de pulvérisation 31 sont positionnées de part et d’autre du radiateur, et sont orientées vers l’avant du radiateur 3. Plus précisément, les buses de pulvérisation 31 sont positionnées au niveau de la face avant du radiateur 3, et sont fixées au niveau des bords verticaux du radiateur. Ces buses de pulvérisation 31 sont orientées vers l’avant du radiateur de façon à former avec le plan principal 300 du radiateur un angle supérieur ou égal à 20°.
[0088] A titre d’exemple, ces buses de pulvérisation 31 peuvent être au nombre d’une, de deux, ou de quatre. Les buses de pulvérisation 31, situées de part et d’autre du radiateur, sont alimentés par des moyens de pompage 6 qui récupèrent une quantité d’eau stockée dans le réservoir d’eau 2, et diffusent ensuite de l’eau en amont du radiateur. Au contact de l’air non chargé en humidité environnant, à proximité du radiateur 3, les gouttelettes (G) de cette eau se vaporisent en de plus petites microgouttelettes (g), et/ou en vapeur. En d’autres termes, en se vaporisant les gouttelettes perdent de l'eau liquide et, par conséquent, leur taille réduit. Cette vaporisation peut être partielle ou complète, c’est-à-dire que les gouttelettes peuvent se vaporiser au moins jusqu'à atteindre, en moyenne, la taille réduite nécessaire pour ne pas endommager le radiateur (sans l'utilisation de buses spéciales permettant d'obtenir directement cette taille), et le cas échéant jusqu'au point où les gouttelettes sont complètement vaporisées (toute leur eau est passée vers l'air sous forme de vapeur d'eau).
[0089] Les gouttelettes (G) d’eau se vaporisent d’autant plus facilement que l’air en amont du radiateur est sec, ou autrement dit, non saturé en eau ou non chargé en eau. Ainsi, le système de refroidissement est particulièrement efficace en cas de fortes chaleurs.
[0090] En effet, c’est au contact de l’air non saturé en eau que les gouttelettes (G) d’eau se vaporisent en microgouttelettes (g) d’eau. Autrement dit, la vaporisation ou évaporation des gouttelettes (G) en microgouttelettes (g) dépend de l’hygrométrie de l’air en amont du radiateur.
[0091] Dans la présente description, on considère l’hygrométrie comme étant la quantité d’eau qui peut être absorbée par kilogramme d’air. Une hygrométrie relative faible sera plus propice à vaporiser les gouttelettes en microgouttelettes d’eau.
[0092] En d'autres termes, l'eau des gouttelettes se vaporise au contact d'un air sec. Ce changement de phase est endo thermique, il consomme de la chaleur qui est "prise" dans l'air environnant, abaissant la température de l'air environnant les gouttes.
[0093] En se vaporisant les gouttelettes perdent de l'eau liquide par conséquent leur taille réduit jusqu'au point où les gouttelettes sont complètement vaporisées (toute leur eau est passée vers l'air sous forme de vapeur d'eau).
[0094] Chacune des buses de pulvérisation 31 émet des gouttelettes sur une zone de pulvérisation située en amont du radiateur 3. A titre illustratif, des zones de pulvérisation 310 des buses de pulvérisation 31 sont représentées sur la [Fig.2].
[0095] Selon un mode de réalisation de l’invention, les buses de pulvérisation 31 dispersent gouttelettes (G) d’eau qui se divisent en de fines microgouttelettes (g) d’eau, de façon à ce que 50% des microgouttelettes (g) d’eau présentent un diamètre inférieur à 75 pm, et 95% des microgouttelettes (g) d’eau présentent un diamètre inférieur à 150 pm. En principe, les buses de pulvérisation 31 produisent ces microgouttelettes d’eau à une pression comprise entre 3 et 4 bars.
[0096] Ainsi, l’air environnant le radiateur se retrouve refroidi et plus humide. De cette manière, l’air humide a plus de capacité calorifique, ce qui signifie qu’il nécessite un plus grand transfert de chaleur pour augmenter sa température. Autrement dit, l’air environnant du radiateur 3 se réchauffe mois rapidement lorsqu’il est chargé en eau.
[0097] L’air refroidi ou un flux d’air (40) refroidi, provenant de la zone en amont du radiateur, peut alors traverser le radiateur, et par la même occasion, abaisser la température du radiateur pour le refroidir. Plus précisément, l’air non chargé en humidité en amont du radiateur est refroidi suite à la pulvérisation puis à la vaporisation des gouttelettes d’eau par les buses de vaporisation.
[0098] Dans certaines conditions, dépendantes par exemple de l’humidité, de la température ou de la vitesse d’air environnant le radiateur, les gouttelettes d’eau ou microgouttelettes d’eau peuvent ne pas être complètement évaporées mais sont devenues suffisamment petites au contact de l’air pour suivre le flux d’air en direction du radiateur sans se déposer sur le radiateur, ou de façon infime. La baisse de température de l’air traversant le radiateur, et indirectement la baisse de température du radiateur, est d’autant plus grande que la quantité microgouttelettes d’eau produites par vaporisation au contact de l’air non saturé en humidité et traversant le radiateur (par l’intermédiaire du flux d’air) est grande. Par ailleurs, plus la taille des gouttelettes d’eau diminue, plus la réduction de température de l’air est importante.
[0099] En particulier, lors d’une phase de forte demande de puissance, sa température peut être abaissée d’environ 5°C.
Second mode de réalisation
[0100] Selon un autre mode de réalisation, les buses sont longitudinales et s’étendent de part et d’autre du radiateur, telles que représentées sur la [Fig.3]. Dans ce cas, une buse de pulvérisation 32 est positionnée au-dessus du radiateur, et une seconde buse de pulvérisation 32 est positionnée en dessous du radiateur. Ces buses de pulvérisation 32 peuvent, par exemple, être fixées au niveau des bords horizontaux du radiateur 3.
[0101] Dans ce mode de réalisation, les buses de pulvérisation 32 sont orientées de façon à former avec un plan perpendiculaire au plan principal du radiateur un angle supérieur ou égal à 20°. Plus précisément, la buse de pulvérisation 32 positionnée au-dessus du radiateur est orientée vers le bas du radiateur, tandis que la buse de pulvérisation 32 positionnée en dessous du radiateur est orientée vers le haut du radiateur de façon à ce que les gouttelettes soient pulvérisées en amont du radiateur et que les gouttelettes ne retombent pas directement en dessous du champ du flux d’air (40) qui traverse le radiateur 3.
[0102] Les gouttelettes pulvérisées par la buse de pulvérisation 32 positionnée au-dessus du radiateur 3 sont projetées dans une zone de pulvérisation en amont du radiateur 3 et sont également vaporisées en microgouttelettes d’eau au contact de l’air pauvre en humidité. Dans le même temps, les microgouttelettes d’eau retombent légèrement sous l’effet de la gravité et sont emportées par le flux d’air (40) qui traverse le radiateur 3. La température du radiateur est ainsi abaissée par le flux d’air rafraichi qui le traverse. Autres modes de réalisation
[0103] En fonction de la forme du ou des radiateurs, il est possible de prévoir une ou plusieurs buses centrées en partie haute du radiateur avec une projection dans l’axe amont du véhicule afin d’augmenter la distance parcourue par la gouttelette et laisser plus de temps à son évaporation. Ces buses de pulvérisation sont orientées vers l’amont du radiateur de façon à former avec le plan principal du radiateur un angle supérieur ou égal à 20°, de façon préférentielle entre 20° et 90°.
[0104] Un autre mode de réalisation pour des radiateurs plus larges consiste à placer deux buses de pulvérisation en partie haute du radiateur environ à 1/3 et 2/3 de la largeur du radiateur afin d’assurer une projection de gouttelettes sur une zone plus large. Dans ce mode de réalisation la projection se fera en amont du véhicule. En particulier, Ces buses de pulvérisation sont orientées vers l’amont du radiateur et dirigées vers le bas, de façon à former avec le plan principal du radiateur un angle égal ou inférieur à 90°. [0105] Un autre mode de réalisation consiste à avoir deux buses de pulvérisation, ou plus, positionnées de part et d’autre du radiateur de façon à former avec le plan principal du radiateur un angle compris entre 20° et 75° en amont du véhicule.
[0106] Un autre mode de réalisation consiste à positionner une ou plusieurs buses de pulvérisation en partie inférieure du radiateur, avec une orientation de ces buses de pulvérisation en amont du véhicule et dirigées vers le haut pour assurer une évaporation des gouttelettes dans le flux d’air utilisé pour le refroidissement du radiateur. Ces buses de pulvérisation sont orientées vers l’amont du radiateur de façon à former avec le plan principal du radiateur un angle égal ou inférieur à 90°.
[0107] Enfin une combinaison de ces différents modes de réalisation est envisageable afin de s’adapter au mieux au facteur de forme des échangeurs thermiques ainsi qu’à la zone d’arrivée d’air ambiant.
[0108] Dans ces différents modes de réalisation, les buses de pulvérisation peuvent être attachées au radiateur ou à d’autres éléments du véhicule environnant le radiateur.
[0109] Enfin, de telles buses de pulvérisation peuvent être également mises en œuvre sur un ou des radiateurs, ou autres éléments du véhicule ou du système à refroidir, non connectés au système de pile à combustible. e) Guidage du flux d'air
[0110] Comme illustré en [Fig.5], pour assurer ou optimiser le guidage de l'air depuis la zone de pulvérisation vers le radiateur, un ou plusieurs ventilateurs 4 peuvent être prévus. Ceci est par exemple utile lorsque le flux d'air est faible devant le radiateur, soit du fait de la configuration du véhicule (absence de passage d'air par exemple), soit parce que celui-ci est à l'arrêt ou se déplace à faible vitesse. D'autres moyens de gestion du flux d'air, notamment pour contrôler la quantité et la direction de l'air introduit, peuvent bien sûr être mis en œuvre.
[0111] La même approche sera également mise en œuvre lorsque la pile est utilisée dans un dispositif ne se déplaçant pas, par exemple un groupe électrogène.
[0112] Il est à noter par ailleurs que, selon les configurations, plusieurs zones de pulvérisation peuvent être prévues, les buses, et le cas échéant les ventilateurs, étant distribués en conséquence. f) Moyens de pilotage
[0113] Comme illustré sur la [Fig.4], le dispositif de refroidissement pour véhicule à pile à combustible à hydrogène peut comprendre des moyens de pilotage 5 des buses de pulvérisation 31, agissant par exemple notamment sur une pompe 6. En effet, en pratique, le radiateur est apte, en lui-même, à assurer le refroidissement nécessaire, mais il peut apparaître des situations, par exemple lors de pics de puissance, au cours desquelles le radiateur ne remplit pas suffisamment efficacement sa fonction de refroidissement. [0114] Les moyens de pilotage permettent de contrôler l’activation et/ou le fonctionnement des buses de pulvérisation, afin d’utiliser l’eau stockée dans le réservoir d’eau qu’en cas de nécessité. Les moyens de pilotage activent en particulier les buses de pulvérisation lorsque le radiateur ou un autre échangeur thermique de la zone nécessite d’être plus refroidi que son fonctionnement standard avec l’air ambiant.
[0115] Cette activation peut être contrôlée selon un ou plusieurs critères prédéterminés tels que la vitesse du véhicule, le débit d’air traversant le radiateur et/ou les échangeurs thermiques, la température extérieure, la température ou puissance thermique dissipée de la pile et/ou d'autres éléments, ou encore selon les conditions hygrométriques mesurées.
[0116] En particulier, le refroidissement est déclenché lorsqu’une quantité d’eau suffisante est collectée dans le réservoir d’eau et que le besoin en refroidissement des composants du véhicule est élevé. A titre d’exemples, ce refroidissement est déclenché lorsque le véhicule roule à une grande vitesse et/ou qu’il existe un besoin en climatisation élevé, par exemple lorsque la température ambiante est supérieure à 30°C, ou lorsque le véhicule roule à une faible vitesse avec un faible débit d’air arrivant dans les radiateurs.
[0117] Le système peut ainsi être déclenché pour repousser les limites de refroidissement du radiateur, et/ou lorsqu’il existe un gain énergétique à faire fonctionner les buses de pulvérisation sur la consommation des autres organes tels que la pompe à eau, un ventilateur face avant, ou un compresseur.
[0118] Les moyens de pilotage peuvent également contrôler divers paramètres qui définissent la manière dont est diffusée l’eau à l’avant du radiateur. À titre d’exemples, les moyens de pilotage peuvent contrôler la quantité d’eau délivrée par unité de temps, le nombre de buses de pulvérisation activées, la durée et/ou la fréquence de pulvérisation, la pression de pulvérisation, ou encore, le débit de pulvérisation. Ils peuvent également agir sur le ou les ventilateurs et autres moyens de guidage du flux d'air.
[0119] Il est à noter que le débit d'air traversant le radiateur ou les échangeurs thermiques dépend de la vitesse du véhicule, et le cas échéant de la vitesse du groupe moto- ventilateur et/ou de la position de volets pilotés.
[0120] Plusieurs de ces paramètres peuvent être directement ou indirectement corrélés.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif de refroidissement (D) pour une pile à combustible à hydrogène (1), comprenant au moins un radiateur (3) et au moins un réservoir (2) pour recueillir au moins une partie de l'eau produite par ladite pile à combustible (1), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen de pulvérisation (31) d’eau contenue dans ledit réservoir (2) pour la pulvériser dans une zone de pulvérisation voisine dudit radiateur (3), mais non sur ledit radiateur (3), de façon à humidifier et rafraichir l'air présent dans ladite zone de pulvérisation et à vaporiser au moins partiellement l'eau pulvérisée avant qu'elle vienne en contact avec ledit radiateur (3).
[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre dans un véhicule, et en ce que ladite zone de pulvérisation est placée en amont dudit radiateur (3), par rapport au sens de déplacement dudit véhicule (10).
[Revendication 3] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ventilateur (4), apte à diriger l'air présent dans ladite zone de pulvérisation vers le ou lesdits radiateurs (3).
[Revendication 4] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins moyen de pulvérisation (31) est apte à produire par pulvérisation des gouttelettes (G) d'eau d'un diamètre moyen DI égal ou supérieur à 100 pm, lesdites gouttelettes (G) d’eau se vaporisant en microgouttelettes (g) d’eau d'un diamètre moyen D2 inférieur à Dl, au contact de l’air dans ladite zone de pulvérisation.
[Revendication 5] Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est configuré pour qu'au moins 50% desdites microgouttelettes (g) présentent un diamètre inférieur à 75 pm.
[Revendication 6] Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux moyens de pulvérisation (31) de l’eau disposés de part et d’autre dudit radiateur (3) et orientés vers l’avant du véhicule et forment avec le plan principal dudit radiateur (3) un angle supérieur ou égal à 20°.
[Revendication 7] Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux moyens de pulvérisation (31) de l’eau qui sont disposés de part et d’autre dudit radiateur (3) et orientés vers l’avant du véhicule et forment avec le plan principal dudit radiateur (3) un angle supérieur à 20° et inférieur à 90°.
[Revendication 8] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pilotage desdits moyens de pulvérisation (31), pour contrôler l'activation et/ou le réglage desdits moyens de pulvérisation (31).
[Revendication 9] Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’activation desdits moyens de pulvérisation tient compte d’au moins un critère prédéterminé appartenant au groupe comprenant :
- une vitesse de déplacement ;
- un débit d’air traversant le radiateur ;
- une température extérieure ;
- une température ou une puissance thermique dissipée par ladite pile et/ ou d'autres composants associés ;
- des conditions hygrométriques ;
- un besoin en refroidissement des organes dudit véhicule.
[Revendication 10] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le réglage desdits moyens de pulvérisation (31) agit sur au moins un réglage appartenant au groupe comprenant :
- une quantité d'eau délivrée par unité de temps ;
- un nombre de moyens de pulvérisation (31) activées ;
- une durée et/ou une fréquence de pulvérisation ;
- une pression de pulvérisation ;
- un débit de pulvérisation.
[Revendication 11] Utilisation d'un dispositif de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant :
- les véhicules automobiles ;
- les véhicules utilitaires ;
- les autobus ou les camions ;
- les trains ;
- les bateaux ;
- les aéronefs ;
- les groupes électrogènes.
[Revendication 12] Procédé de refroidissement d’une pile à combustible à hydrogène, produisant notamment de l'électricité et de l'eau, ledit procédé mettant en œuvre un dispositif tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
- recueil d'au moins une partie de l'eau produite par ladite pile à corn- bustible (1) dans un réservoir (2) ;
- détermination d'un besoin de refroidissement ;
- pulvérisation d’eau contenue dans ledit réservoir (2)
- dans une zone de pulvérisation voisine dudit radiateur (3), mais non sur ledit radiateur (3), de façon à humidifier et rafraichir l'air présent dans ladite zone de pulvérisation et à vaporiser au moins partiellement l'eau pulvérisée avant qu'elle vienne en contact avec ledit radiateur (3).
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