EP1704362A1 - Installation de stockage d'hydrogene pour l'alimentation de pile a combustible et vehicule l'incorporant - Google Patents

Installation de stockage d'hydrogene pour l'alimentation de pile a combustible et vehicule l'incorporant

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EP1704362A1
EP1704362A1 EP04816592A EP04816592A EP1704362A1 EP 1704362 A1 EP1704362 A1 EP 1704362A1 EP 04816592 A EP04816592 A EP 04816592A EP 04816592 A EP04816592 A EP 04816592A EP 1704362 A1 EP1704362 A1 EP 1704362A1
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EP
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fuel cell
hydrogen
screen
installation according
heat exchange
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Laurent Allidieres
Alain Ravex
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to hydrogen storage installations, in particular for fuel cell supply, more particularly for automotive applications.
  • hydrogen used to power internal combustion engines and / or fuel cells serving or participating in propulsion or the development of on-board electric power, can be stored in gaseous form or in the form liquid.
  • Storage in gaseous form imposes very high pressures resulting in a heavier and an imposed conformation of the tanks.
  • Storage in liquid form allows storage under low pressure, close to atmospheric pressure, but requires perfect insulation to maintain the liquid in the tank at a temperature close to 20K.
  • recourse has therefore been made to equally sophisticated tanks, with imposed conformation, with vacuum inter-walls, which greatly impedes manufacturing costs.
  • the object of the present invention is to propose a storage installation at reduced costs, allowing the use of a light tank having an insulation of lower performance, and therefore simple to implement and economical to manufacture, but nevertheless guaranteeing a keeping cold suitable for pressure close to atmospheric pressure, to take advantage of a liquid cryogenic fluid.
  • the installation comprises: a liquid hydrogen tank comprising an insulating envelope of cellular material incorporating at least a first metallic screen; a liquid hydrogen extraction pipe; a gaseous hydrogen evacuation circuit, connected to the hydrogen inlet of a fuel cell and having at least one portion in heat exchange relation with the first screen; and a refrigerating machine electric connected to the fuel cell and having at least one cold part in heat exchange relation at least with the first screen.
  • the reservoir comprises at least a second heat shield also in heat exchange relation with a portion of the evacuation circuit of gaseous hydrogen;
  • At least one of the heat shields is composed of a sandwich assembly of at least two metal plates advantageously comprising deformed areas in gutter constituting at least a portion of the portions of the evacuation circuit of gaseous hydrogen in heat exchange relationship with the corresponding heat shield.
  • the present invention also relates to a vehicle comprising a hydrogen storage installation of the above type, the fuel cell advantageously participating in the propulsion of said vehicle.
  • FIG. 1 is a schematic view, in section vertical for the tank, of an installation according to the invention
  • - Figure 2 is a schematic perspective view in partial section of an embodiment of a heat shield according to the invention.
  • the installation shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a reservoir, generally designated by the reference 1, of any shape, the thick wall of which is formed by a shaped mass of multi-layer thermoplastic foam, in the form of a shell with shape resistance, generally designated by the reference 2, in which are embedded at least one, advantageously at least two heat shields 3 outside and 4 inside.
  • the foam material is advantageously a closed cell polyurethane foam.
  • the material of the screens is advantageously a conductive metal alloy based on copper or aluminum.
  • the interior screen 4 can be arranged to serve as a pressure-resistant envelope.
  • the internal insulation layer of the insulation mass 2 is in direct contact with liquid hydrogen in the internal cavity 5 of the tank 1, which can avoid the installation of an internal metal casing such as 6.
  • the tank 1 is conventionally provided with a pipe 7 of extraction of liquid hydrogen, fitted with a valve, passing through the foam thickness.
  • the reservoir 1 also comprises a circuit 8 for evacuating the gaseous hydrogen located above the mass of liquid hydrogen, therefore having an internal end 9 opening into the upper part of the tank and an outer end 10 connected to the hydrogen inlet of a fuel cell 11 supplying, at the outlet of bomes 12, electrical energy.
  • the circuit 8 advantageously includes a pressure relief valve for venting the hydrogen gas when the pressure in the cavity 5 reaches a determined maximum value, typically around 3.5 bars.
  • the circuit 8 comprises an interior portion 13 running along the interior screen 4, in heat exchange relationship with the latter, as well as a downstream portion 14 running along the exterior screen 3 and in exchange relationship thermal with the latter.
  • a refrigerating machine 15 for example of the well-tube, Stirling or Brighton type, supplied with the electrical energy available at the output terminals 12 of the cell 11, is associated with the tank 1 (advantageously mounted on the latter), with its cold end 16 penetrating into the foam envelope of the reservoir 1, to come into heat exchange relation with at least the external screen 3.
  • the thermal screens 3 and 4 are continuously cooled by the flow of hydrogen gas evacuated by the circuit 8, and in addition, at least temporarily, by the refrigerating machine 15 exploiting the electrical energy "offered” by the hydrogen gas evaporating in the tank 1 and supplying the fuel cell 11.
  • the installation according to the invention therefore makes it possible to easily produce a tank 1 of free form (not being subjected to pressure), therefore capable of being integrated as well as possible into the es available vehicle spaces, low manufacturing costs (for example by simply spraying foam instead of the meticulous application of numerous multi-layers according to known techniques) and avoiding the conventional, long and expensive operations, of placing under vacuum and of checking the maintenance under vacuum.
  • the heat shields 3 and 4 are typically produced by assembling thin aluminum and / or copper plates. According to one aspect of the invention, as shown in FIG.
  • the thermal screen in this case the screen 3 consists of an assembly of three metal plates 31, 32 and 33, at least one of the external plates 31 and / or 33 being embossed to present longitudinal deformations in the gutter 34, 35 delimiting, with the intermediate plate 32 or with the other external plate 33 in the case where the intermediate plate 32 has longitudinal recesses 36, channels 14A, 14B constituting at least in part the portion 14 of circuit 8 for evacuating hydrogen gas.
  • This arrangement avoids the problems of joining between separate pipes and the heat shields, greatly promotes the heat exchange relationships between the circulating gas and the screen, and stiffens the latter.

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Abstract

L'installation de stockage d'hydrogène pour l'alimentation d'une pile à combustible (11), notamment pour véhicules automobiles, comprend un réservoir d'hydrogène liquide comportant une enveloppe isolante légère en mousse (2) incorporant au moins un écran métallique (3, 4), et un circuit (8) d'évacuation d'hydrogène gazeux relié à l'entrée d'hydrogène de la pile à combustible (11) et ayant au moins une portion (14 ; 13) en relation d'échange thermique avec l'écran (3; 4), ce dernier étant également placé en relation d'échange thermique avec la partie froide (16) d'une machine frigorifique électrique (15) alimentée en courant électrique par la pile à combustible (11). Application notamment aux véhicules mus par l'énergie électrique d'une pile à combustible.

Description

Installation de stockage d'hydrogène pour l'alimentation de pile à combustible et véhicule l'incorporant
La présente invention concerne les installations de stockage d'hydrogène, notamment pour l'alimentation de pile à combustible, plus particulièrement pour applications automobiles. Pour les applications embarquées, l'hydrogène, servant à l'alimentation de moteurs à combustion interne et/ou de piles à combustibles servant ou participant à la propulsion ou à l'élaboration de puissance électrique embarquée, est stockable sous forme gazeuse ou sous forme liquide. Le stockage sous forme gazeuse impose des pressions très élevées se traduisant par un alourdissement et une conformation imposée des réservoirs. Le stockage sous forme liquide permet le stockage sous faible pression, proche de la pression atmosphérique, mais impose une parfaite isolation pour maintenir le liquide dans le réservoir à une température proche de 20K. Jusqu'à présent, on a eu donc recours à des réservoirs également sophistiqués, à conformation imposée, avec des inter-parois sous-vide, ce qui obère grandement les coûts de fabrication. La présente invention a pour objet de proposer une installation de stockage de coûts réduits, permettant l'utilisation d'un réservoir léger disposant d'une isolation de moindre performance, et donc simple à mettre en œuvre et économique à fabriquer, mais garantissant toutefois un maintien en froid convenable à la pression proche de la pression atmosphérique, pour profiter d'un fluide cryogène liquide. Pour ce faire, selon l'invention, l'installation comprend : un réservoir d'hydrogène liquide comportant une enveloppe isolante en matériau cellulaire incorporant au moins un premier écran métallique ; une canalisation d'extraction de l'hydrogène liquide ; un circuit d'évacuation d'hydrogène gazeux, relié à l'entrée d'hydrogène d'une pile à combustible et ayant au moins une portion en relation d'échange thermique avec le premier écran ; et une machine frigorifique électrique connectée à la pile à combustible et ayant au moins une partie froide en relation d'échange thermique au moins avec le premier écran. Selon d'autres aspects de l'invention : - le réservoir comprend au moins un second écran thermique également en relation d'échange thermique avec une portion du circuit d'évacuation d'hydrogène gazeux ; - au moins un des écrans thermiques est composé d'un assemblage sandwich d'au moins deux plaques métalliques comportant avantageusement des zones déformées en gouttière constituant au moins une partie des portions du circuit d'évacuation d'hydrogène gazeux en relation d'échange thermique avec l'écran thermique correspondant. La présente invention concerne également un véhicule comprenant une installation de stockage d'hydrogène du type ci-dessus, la pile à combustible participant avantageusement à la propulsion dudit véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique, en coupe verticale pour le réservoir, d'une installation selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique en perspective et en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un écran thermique selon l'invention. L'installation représentée schématiquement sur la Figure 1 comporte un réservoir, généralement désigné par la référence 1 , de forme quelconque, dont la paroi épaisse est constituée par une masse conformée de mousse thermoplastique multi-couches, en forme de coque à résistance de forme, généralement désignée par la référence 2, dans laquelle sont noyés au moins un, avantageusement au moins deux écrans thermiques 3 extérieur et 4 intérieur. Le matériau de la mousse est avantageusement une mousse polyuréthane à cellules fermées. Le matériau des écrans est avantageusement un alliage métallique conducteur à base de cuivre ou aluminium. L'écran intérieur 4 peut être agencé pour servir d'enveloppe résistant à la pression. Dans ce cas, la couche d'isolation interne de la masse d'isolant 2 est en contact direct avec l'hydrogène liquide dans la cavité interne 5 du réservoir 1 , ce qui peut permettre d'éviter l'installation d'une enveloppe métallique interne telle que 6. Le réservoir 1 est classiquement pourvu d'une canalisation 7 d'extraction de l'hydrogène liquide, muni d'une vanne, traversant l'épaisseur de mousse. Selon un aspect de l'invention, le réservoir 1 comporte en outre un circuit 8 d'évacuation de l'hydrogène gazeux se trouvant au-dessus de la masse d'hydrogène liquide, ayant donc une extrémité interne 9 débouchant dans la partie haute du réservoir et une extrémité extérieure 10 reliée à l'entrée d'hydrogène d'une pile à combustible 11 fournissant, en sortie de bomes 12, de l'énergie électrique. Le circuit 8 comporte avantageusement un clapet de surpression pour une mise à l'air de l'hydrogène gazeux quand la pression dans la cavité 5 atteint une valeur maximale déterminée, typiquement d'environ 3,5 bars. Le circuit 8 comporte une portion intérieure 13 courant le long de l'écran intérieur 4, en relation d'échange thermique avec ce dernier, ainsi qu'une portion aval 14 courant le long de l'écran extérieur 3 et en relation d'échange thermique avec ce dernier. Selon un autre aspect de l'invention, une machine frigorifique 15, par exemple du type puise-tube, Stirling ou Brighton, alimentée par l'énergie électrique disponible aux bomes de sortie 12 de la pile 11, est associée au réservoir 1 (avantageusement monté sur ce dernier), avec son bout froid 16 pénétrant dans l'enveloppe de mousse du réservoir 1, pour venir en relation d'échange thermique avec au moins l'écran externe 3. On comprendra de ce qui précède, que les écrans thermiques 3 et 4 sont en permanence refroidis par le débit d'hydrogène gazeux évacué par le circuit 8, et en outre, au moins temporairement, par la machine frigorifique 15 exploitant l'énergie électrique « offerte » par l'hydrogène gazeux s'évaporant dans le réservoir 1 et alimenter la pile à combustible 11. L'installation selon l'invention permet donc de réaliser facilement un réservoir 1 de forme libre (n'étant pas soumis à la pression), susceptible donc de s'intégrer au mieux dans les espaces disponibles des véhicules, de faibles coûts de fabrication (par exemple par simple projection de mousse au lieu de l'application minutieuse de nombreuses multi-couches selon les techniques connues) et évitant les opérations classiques, longues et dispendieuses, de mise sous-vide et de vérification du maintien sous vide. De plus, en raison de l'absence de vide, les performances thermiques du réservoir ne sont pas significativement dégradées en cas de choc ponctuel, assurant ainsi une sécurité accrue aux véhicules. Les écrans thermiques 3 et 4 sont typiquement réalisés par l'assemblage de plaques minces d'aluminium et/ou de cuivre. Selon un aspect de l'invention, comme représenté sur la figure 2, l'écran thermique, en l'occurrence l'écran 3, est constitué par un assemblage de trois plaques métalliques 31, 32 et 33, au moins une des plaques externes 31 et/ou 33 étant gaufrée pour présenter des déformations longitudinales en gouttière 34, 35 délimitant, avec la plaque intermédiaire 32 ou avec l'autre plaque extérieure 33 dans le cas où la plaque intermédiaire 32 comporte des évidements longitudinaux 36, des canaux 14A, 14B constituant au moins en partie la portion 14 de circuit 8 d'évacuation d'hydrogène gazeux. Cet agencement évite les problèmes de jonction entre des tubulures distinctes et les écrans thermiques, favorise grandement les relations d'échange thermique entre le gaz circulant et l'écran, et rigidifie ce dernier. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de stockage d'hydrogène comprenant : - un réservoir d'hydrogène liquide (1) comportant une enveloppe isolante (2) en matériau cellulaire incorporant au moins un premier écran métallique (3), une canalisation (7) d'extraction de l'hydrogène liquide, un circuit (8) d'évacuation d'hydrogène gazeux, relié à l'entrée d'hydrogène d'une pile à combustible (11) et ayant au moins une portion (14) en relation d'échange thermique avec le premier écran, une machine frigorifique électrique (15) reliée à la pile à combustible (11) et ayant au moins une partie froide (16) en relation d'échange thermique au moins avec le premier écran (3).
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir comprend au moins un second écran thermique (4) également en relation d'échange thermique avec une portion (13) du circuit d'évacuation (8).
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le deuxième écran thermique (4) est disposé à l'intérieur du premier écran thermique (3).
4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le deuxième écran thermique (4) est une enveloppe à résistance de forme.
5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'enveloppe isolante (2) est constituée d'au moins deux couches de mousse de polyuréthane.
6. Installation selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un des premier et second écrans thermiques (3 ;4) est composé d'un assemblage d'au moins deux plaques métalliques (31 , 32).
7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'au moins une partie (14A ;14B) de la portion (14 ;13) de circuit (8) en relation d'échange thermique avec l'écran (3 ;4) est formé par des zones déformées en gouttière (34 ;35) desdites plaques (31 ;32).
8. Véhicule comprenant une installation de stockage d'hydrogène selon l'une des revendications précédentes.
9. Véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pile à combustible participe à la propulsion du véhicule.
EP04816592A 2004-01-12 2004-12-22 Installation de stockage d'hydrogene pour l'alimentation de pile a combustible et vehicule l'incorporant Withdrawn EP1704362A1 (fr)

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