EP4766977A1 - Dispositif de remplissage de réservoir d'hydrogène - Google Patents

Dispositif de remplissage de réservoir d'hydrogène

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EP4766977A1
EP4766977A1 EP24743373.3A EP24743373A EP4766977A1 EP 4766977 A1 EP4766977 A1 EP 4766977A1 EP 24743373 A EP24743373 A EP 24743373A EP 4766977 A1 EP4766977 A1 EP 4766977A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
purification system
supplied
bypass
hydrogen flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP24743373.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Flora STEULET
Maxime BUTLER
Patrick Le Bot
Marie-Pascal Victor
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Abstract

Dispositif de remplissage de réservoir(s) d'hydrogène sous pression, le dispositif de remplissage comprenant une ligne de transfert (1) configurée pour acheminer un flux d'hydrogène depuis une source d'hydrogène (2) vers un réservoir à remplir, la ligne de transfert (1) comprenant : - une voie de contournement du système de purification, configurée pour faire contourner au moins une partie du système de purification au flux d'hydrogène, - un dispositif de commutation fluidique configuré pour faire circuler le flux d'hydrogène à travers le système de purification et/ou à travers la voie de contournement, - un dispositif d'acquisition de données (19), - une unité de pilotage (20) configurée pour piloter le dispositif de commutation fluidique, en fonction d'une donnée en provenance du dispositif d'acquisition de données (19).

Description

    Dispositif de remplissage de réservoir d’hydrogène.
  • L’invention concerne un dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène sous pression et un procédé de remplissage d’un tel réservoir en hydrogène. L’invention concerne aussi une station de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène comprenant le dispositif de remplissage. Le réservoir est notamment celui d’un véhicule.
  • Il s’agit en particulier d’un dispositif comprenant une ligne de transfert configurée pour acheminer l’hydrogène depuis une source d’hydrogène vers le réservoir à remplir.
  • Les piles à combustible installées à bord des véhicules qui utilisent de l’hydrogène carburant nécessitent d’être alimentées avec un hydrogène très pur.
  • Une littérature abondante a décrit les impacts des impuretés (telles que l'eau, le CO, l'H2S) dans l'hydrogène sur les performances et la durée de vie des piles à combustible. Des normes strictes ont ainsi été développées pour s'assurer que l'hydrogène livré dans les réservoirs n'endommage pas les piles (cf. par exemple la norme ISO14687-2019).
  • Les procédés industriels de fabrication d’hydrogène connus ne permettent pas d'assurer un tel niveau de pureté en continu.
  • Pour garantir un niveau de pureté de l'hydrogène il peut être nécessaire de rajouter à la station de remplissage un système de purification de l’hydrogène, telles que des purifications sur lit d'adsorbant. L’hydrogène à traiter subit alors de façon permanente les pertes de charges relatives au système de purification, ce qui est pénalisant si le gaz doit être re-comprimé ensuite.
  • Dès lors, il apparaît un besoin de développer un dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène permettant de résoudre les limites de l’art antérieur.
  • L’invention a pour objet un dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène sous pression, le dispositif de remplissage comprenant une ligne de transfert configurée pour acheminer un flux d’hydrogène depuis une source d’hydrogène vers un réservoir à remplir,
    la ligne de transfert comprenant :
    - un système de purification du flux d’hydrogène fourni par la source (flux d’hydrogène fourni), configuré pour éliminer au moins en partie une impureté contenue dans le flux d’hydrogène fourni et produire ainsi un hydrogène purifié,
    le dispositif de remplissage comprenant :
    - une voie de contournement du système de purification, configurée pour faire contourner au moins une partie du système de purification au flux d’hydrogène,
    - un dispositif de commutation fluidique configuré pour faire circuler le flux d’hydrogène à travers le système de purification et/ou à travers la voie de contournement,
    - un dispositif d’acquisition de données,
    - une unité de pilotage configurée pour piloter le dispositif de commutation fluidique, en fonction d’une donnée en provenance du dispositif d’acquisition de données.
  • En cas d’absence d’impureté dans l’hydrogène provenant de la source, la voie de contournement permet à l’hydrogène circulant dans le dispositif de remplissage de contourner le système de purification. Le flux d’hydrogène ne subit ainsi plus les pertes de charges relatives au système de purification et l’acheminement du flux d’hydrogène au réservoir consomme moins d’énergie.
  • Selon le mode de réalisation considéré, l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    - la ligne de transfert comprend une extrémité amont destinée à être raccordée à la source d’hydrogène pour alimenter le dispositif de remplissage en hydrogène,
    - la ligne de transfert comprend une extrémité aval destinée à être raccordée à une conduite ou un orifice de remplissage du réservoir,
    - la voie de contournement est configurée pour faire contourner le système de purification au flux d’hydrogène sans faire subir de purification au flux d’hydrogène qui contourne,
    - la voie de contournement comprend au moins une branche de contournement connectée fluidiquement à la ligne de transfert de sorte à faire contourner au moins une partie du système de purification au flux d’hydrogène,
    - le dispositif de commutation fluidique comprend une vanne de dérivation agencée sur la branche de contournement pour autoriser, interdire ou réguler la circulation du flux d’hydrogène à travers la branche de contournement,
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour mesurer une concentration en impureté dans le flux d’hydrogène fourni par la source, en particulier circulant dans la ligne de transfert, en amont du système de purification. Par exemple, le dispositif d’acquisition de données est configuré pour mesurer une concentration en monoxyde de carbone. En particulier, le dispositif d’acquisition de données comprend au moins un analyseur de mesure de la concentration en impureté dans le flux d’hydrogène fourni. Le dispositif d’acquisition comprend notamment au moins un capteur de mesure de la concentration en impureté, par exemple un capteur de monoxyde de carbone, un capteur d’oxygène et/ou un capteur de composés aqueux.
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour recevoir une donnée de prédiction d’une concentration en impureté(s) dans le flux d’hydrogène fourni par la source, notamment une donnée relative à une probabilité que la concentration en impureté(s) dans le flux d’hydrogène fourni par la source dépasse un niveau de concentration donné.
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour recevoir une donnée environnementale, telle qu’une condition extérieure au dispositif de remplissage, par exemple une pression ou une température atmosphérique,
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour recevoir une consigne relative à un hydrogène de remplissage du ou des réservoir(s), en particulier une consigne de pureté de l’hydrogène de remplissage,
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour recevoir une donnée relative à un dysfonctionnement de la source, notamment le dispositif d’acquisition de données est configuré pour recevoir une alerte sur le fonctionnement de la source,
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour recevoir une donnée relative à un dysfonctionnement ou une maintenance du système de purification,
    - l’unité de pilotage est configurée pour piloter le dispositif de commutation fluidique, en fonction de ladite mesure de la concentration, en fonction de ladite donnée de prédiction, en fonction de ladite donnée environnementale, en fonction de ladite consigne, et/ou en fonction de la donnée relative à un dysfonctionnement de la source ou relative à un dysfonctionnement ou une maintenance du système de purification,
    - le dispositif de remplissage comprend un raccord de connexion fluidique entre la ligne de transfert et la voie de contournement, le raccord étant disposé sur la ligne de transfert, en amont du système de purification,
    - la ligne de transfert comprend un dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés comprenant au moins un lit de garde configuré(s) pour retenir lesdits composés, notamment par adsorption. En particulier, la voie de contournement est configurée pour faire contourner le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés au flux d’hydrogène.
    - le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés est disposé en amont du système de purification. Le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés est en particulier disposé en amont du raccord.
    - le dispositif de commutation fluidique comprend un obturateur agencé sur la ligne de transfert en amont du système de purification et notamment en aval du raccord ou en aval de la première jonction, pour autoriser, interdire ou réguler la circulation du flux d’hydrogène à travers le système de purification,
    - le au moins un capteur de mesure de la concentration en impureté est disposé sur la ligne de transfert, en amont de l’obturateur,
    - le au moins un capteur de mesure de la concentration en impureté et l’obturateur délimitent une portion dite amont de la ligne de transfert,
    - la portion amont comprend le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés,
    - la portion amont, notamment le(s) lit(s) de garde, est dimensionnée de telle sorte que le temps de trajet du flux d’hydrogène dans la portion amont soit plus long que le temps de mesure de la concentration en impureté par le dispositif d’acquisition de données, ajouté au temps de manœuvre de l’obturateur entre une position où ledit obturateur autorise une circulation du flux d’hydrogène à travers le système de purification et une position où ledit obturateur interdit une telle circulation,
    - le système de purification est configuré pour produire un hydrogène purifié à plus de 98% de pureté, de préférence plus de 99% de pureté,
    - le système de purification comprend au moins un lit d’adsorbant et/ou au moins un lit catalytique,
    - le système de purification comprend une unité de désoxygénation et/ou de séchage,
    - l’unité de désoxygénation et de séchage comprend un réacteur de désoxygénation catalytique (unité deoxo) suivie d’un sécheur. Le sécheur comprend notamment une unité d’adsorption modulée en température (unité TSA) qui comprend au moins deux adsorbeurs configurés pour fonctionner selon un enchaînement d’étapes d’adsorption et de régénération. En particulier, l’unité d’adsorption modulée en température est configurée pour éliminer au moins en partie des composés aqueux et/ou du dioxyde de carbone contenu dans le flux d’hydrogène et pour obtenir un flux d’hydrogène appauvri en composés aqueux et/ou dioxyde de carbone.
    - la au moins une branche de contournement comprend une branche de contournement de l’unité de désoxygénation et de séchage connectée fluidiquement à la ligne de transfert de sorte à faire contourner l’unité de désoxygénation et de séchage au flux d’hydrogène,
    - le raccord est un premier raccord et le dispositif de remplissage comprend un deuxième raccord de connexion fluidique entre la voie de contournement et la ligne de transfert, le deuxième raccord étant disposé sur la ligne de transfert, en aval de l’unité de désoxygénation et/ou de séchage, et la branche de contournement de l’unité de désoxygénation et de séchage est connectée fluidiquement à la ligne de transfert entre le premier raccord et le deuxième raccord,
    - la vanne de dérivation est agencée sur la branche de contournement de l’unité de désoxygénation et de séchage et configurée pour autoriser, interdire ou réguler la circulation du flux d’hydrogène dans la branche de contournement de l’unité de désoxygénation et de séchage,
    - le système de purification comprend un dispositif de séparation par adsorption configuré pour éliminer au moins en partie du monoxyde de carbone contenu dans le flux d’hydrogène, en particulier dans le flux d’hydrogène appauvri en composés aqueux et/ou dioxyde de carbone, et pour obtenir un flux d’hydrogène appauvri en monoxyde de carbone. Le dispositif de séparation par adsorption est notamment configuré pour être modulé en pression et/ou en température et comprend au moins deux adsorbeurs configurés pour fonctionner selon un enchaînement d’étapes d’adsorption et de régénération.
    - le dispositif de séparation par adsorption est disposé sur la ligne de transfert en aval de l’unité de désoxygénation et/ou de séchage,
    - la au moins une branche de contournement comprend une branche de contournement du dispositif de séparation par adsorption connectée fluidiquement à la ligne de transfert de sorte à faire contourner le dispositif de séparation par adsorption au flux d’hydrogène,
    - la au moins une branche de contournement est configurée pour faire contourner l’unité de désoxygénation et de séchage et/ou le dispositif de séparation par adsorption au flux d’hydrogène,
    - le dispositif de remplissage comprend une première jonction de connexion fluidique entre la voie de contournement et la ligne de transfert et comprend une deuxième jonction de connexion fluidique entre la voie de contournement et la ligne de transfert, la première jonction étant disposée sur la ligne de transfert en amont du dispositif de séparation par adsorption, la deuxième jonction étant disposée sur la ligne de transfert en aval du dispositif de séparation par adsorption, et la branche de contournement du dispositif de séparation par adsorption est connectée fluidiquement à la ligne de transfert entre la première jonction et la deuxième jonction. La première jonction est notamment disposée sur la ligne de transfert en aval de l’unité de désoxygénation et/ou de séchage.
    - le dispositif de commutation fluidique comprend une vanne de contournement agencée sur la branche de contournement du dispositif de séparation par adsorption et configurée pour autoriser, interdire ou réguler la circulation du flux d’hydrogène dans la branche de contournement du dispositif de séparation par adsorption,
    - l’obturateur est un premier obturateur et le dispositif de commutation fluidique comprend un deuxième obturateur agencé sur la ligne de transfert en aval de la première jonction et en amont du dispositif de séparation par adsorption, pour autoriser, interdire ou réguler la circulation de l’hydrogène à travers le dispositif de séparation par adsorption,
    - le raccord est un raccord amont et le dispositif de remplissage comprend un raccord aval de connexion fluidique entre la voie de contournement et la ligne de transfert, le raccord aval étant disposé sur la ligne de transfert en aval du dispositif de séparation par adsorption, et la branche de contournement du dispositif de séparation par adsorption est connectée fluidiquement à la ligne de transfert entre le raccord amont et le raccord aval,
    - le dispositif de remplissage comprend un évent raccordé fluidiquement à la ligne de transfert en amont du système de purification, l’unité de pilotage étant configurée pour piloter l’évent et décharger le flux d’hydrogène à l’atmosphère à travers l’évent, lorsque les caractéristiques du flux d’hydrogène fourni par la source, en particulier sa composition, s’écartent d’une spécification pour un hydrogène de remplissage du réservoir de plus qu’une valeur seuil critique. Notamment, l’unité de pilotage est configurée pour décharger le flux d’hydrogène lorsqu’une concentration en impureté mesurée, par exemple une concentration en monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, composés aqueux et/ou oxygène, du flux d’hydrogène dépasse un niveau de concentration donné.
    - le dispositif d’acquisition de données est configuré pour mesurer, en amont de l’évent, une concentration en impureté dans le flux d’hydrogène. Le dispositif d’acquisition de données comprend notamment au moins un capteur agencé pour mesurer la concentration en impureté, notamment la concentration en monoxyde de carbone, dans le flux d’hydrogène en amont de l’évent.
    - le dispositif de remplissage comprend une vanne d’isolation disposée sur la ligne de transfert en aval du raccord fluidique de l’évent avec la ligne de transfert et en amont du système de purification et configurée pour autoriser ou interdire la circulation du flux d’hydrogène. L’unité de pilotage est notamment configurée pour piloter l’évent et décharger le flux d’hydrogène lorsque les caractéristiques du flux d’hydrogène s’écartent d’une spécification pour un hydrogène de remplissage du réservoir de plus qu’une valeur seuil critique.
    - la ligne de transfert comprend un module de compression de l’hydrogène entre la source et le réservoir, le module de compression étant configuré pour comprimer l’hydrogène purifié à une pression supérieure à 350 bar, de préférence une pression supérieure à 700 bar, de préférence une pression supérieure à 1000 bar. De préférence, le module de compression est configuré pour remplir le réservoir à une pression comprise entre 350 et 700 bar.
    - le module de compression est agencé sur la ligne de transfert en aval du système de purification,
    - la ligne de transfert comprend un module de liquéfaction de l’hydrogène purifié, configuré pour remplir le réservoir avec de l’hydrogène liquide,
    - le module de liquéfaction de l’hydrogène est agencé sur la ligne de transfert en aval du système de purification, notamment en aval du module de compression.
  • L’invention a aussi pour objet une station de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène de véhicules, la station de remplissage comprenant un dispositif de remplissage tel que décrit précédemment. Il peut s’agir par exemple d’une station de remplissage de véhicules de type semi-remorque, notamment de remorques de stockage d’hydrogène.
  • Selon un mode de réalisation, la station de remplissage comprend une conduite de remplissage raccordée à l’extrémité aval de la ligne de transfert du dispositif de remplissage, la conduite de remplissage étant destinée à être reliée de façon amovible à un réservoir, pour remplir ledit réservoir en hydrogène.
  • Selon un mode de réalisation, l’extrémité amont de la ligne de transfert du dispositif de remplissage est raccordée à une source d’hydrogène pour alimenter le dispositif de remplissage en hydrogène.
  • L’invention a aussi pour objet un procédé de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène sous pression, comprenant les étapes :
    - fourniture d’un flux d’hydrogène depuis une source d’hydrogène, le flux d’hydrogène pouvant comprendre au moins une impureté telle que des composés soufrés et/ou halogénés, de l’oxygène, des composés aqueux, du dioxyde de carbone et/ou du monoxyde de carbone,
    - alimentation d’un dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène avec le flux d’hydrogène fourni, le dispositif de remplissage comprenant un système de purification du flux d’hydrogène alimenté et un dispositif de commutation fluidique,
    - acquisition d’une donnée de détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté ou d’une donnée relative à un dysfonctionnement ou une maintenance du système de purification,
    - pilotage du dispositif de commutation fluidique de sorte à faire contourner au moins une partie du système de purification à au moins une partie du flux d’hydrogène alimenté.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - acquisition d’une donnée de détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté,
    - pilotage du dispositif de commutation fluidique de sorte à faire circuler le flux d’hydrogène alimenté à travers le système de purification,
    - purification du flux d’hydrogène circulant à travers le système de purification et production d’un hydrogène purifié.
  • Selon un mode de réalisation, l’étape de pilotage du dispositif de commutation fluidique comprend un pilotage dudit dispositif de sorte à faire contourner au moins une partie du système de purification à au moins une partie du flux d’hydrogène alimenté sans faire subir de purification au flux d’hydrogène qui contourne.
  • Le procédé comprend notamment une étape de remplissage d’un réservoir avec le flux d’hydrogène alimenté ou avec l’hydrogène purifié. Le réservoir est rempli en hydrogène de remplissage. Le procédé peut également comprendre, avant l’étape de remplissage, une étape de compression du flux d’hydrogène alimenté ou de l’hydrogène purifié à une pression supérieure à 350 bar, de préférence supérieure à 700 bar, de préférence supérieure à 1000 bar, obtenant ainsi un hydrogène comprimé. La compression se fait de préférence à une pression comprise entre 350 et 700 bar. Le procédé peut également comprendre, avant l’étape de remplissage, une étape de liquéfaction du flux d’hydrogène alimenté ou de l’hydrogène purifié, notamment une étape de liquéfaction de l’hydrogène comprimé. Les réservoirs remplis sont par exemple des réservoirs de transport en vrac d’hydrogène, appelés aussi « trailers », ou la réserve en carburant d’un véhicule tel qu’un camion ou un bateau.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - mesure d’une concentration en impureté dans le flux d’hydrogène fourni ou dans le flux d’hydrogène alimenté,
    - calcul d’un écart entre la concentration mesurée et une valeur consigne de concentration en impureté,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est inférieur à une valeur seuil prédéterminée,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée.
    En particulier, le procédé comprend une étape de mesure d’une concentration en monoxyde de carbone (CO), en oxygène et/ou en composés aqueux dans le flux d’hydrogène fourni ou dans le flux d’hydrogène alimenté.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - acquisition d’une donnée de prédiction d’une concentration en impureté dans le flux d’hydrogène fourni,
    - calcul d’un écart entre la concentration prédite et une valeur consigne de concentration en impureté,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est inférieur à une valeur seuil prédéterminée,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée.
    En particulier, l’étape d’acquisition d’une donnée de prédiction comprend la détermination d’une probabilité que la concentration en impureté dépasse un niveau de concentration donné. La concentration en monoxyde de carbone (CO), en oxygène et/ou en composés aqueux est notamment prédite.
  • En particulier, l’étape de mesure d’une concentration en impureté a lieu en continu. Alternativement, l’étape de mesure d’une concentration en impureté à lieu ponctuellement en fonction de la probabilité que la concentration en impureté dépasse un niveau de concentration donné.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - acquisition d’une donnée environnementale, telle qu’une condition extérieure au dispositif de remplissage,
    - calcul d’un écart entre la donnée environnementale acquise et une condition environnementale de référence,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est inférieur à une valeur seuil prédéterminée,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée.
    La donnée environnementale est par exemple une pression ou une température atmosphérique mesurée, et l’écart est calculé entre la pression ou la température atmosphérique mesurée et une pression ou température atmosphérique de référence.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - acquisition d’une consigne relative à l’hydrogène de remplissage, en particulier une consigne de pureté de l’hydrogène de remplissage,
    - mesure d’une pureté de l’hydrogène de remplissage,
    - calcul d’un écart entre la pureté mesurée et la consigne,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est inférieur à une valeur seuil prédéterminée,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - acquisition d’une donnée relative à un dysfonctionnement de la source, notamment une alerte sur le fonctionnement de la source,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d’élimination d’au moins une partie de composés soufrés et/ou halogénés du flux d’hydrogène alimenté.
  • Selon une caractéristique du procédé, l’étape de purification comprend les étapes suivantes :
    - désoxygénation et/ou séchage du flux d’hydrogène alimenté, notamment désoxygénation et/ou de séchage par adsorption modulée en température,
    - production d’un flux d’hydrogène appauvri en oxygène et/ou en composés aqueux.
    En particulier, l’étape de séchage par adsorption modulée en température comprend une étape d’élimination d’au moins une partie du dioxyde de carbone de l’hydrogène circulant à travers le système de purification.
  • Selon une caractéristique du procédé, le système de purification comprend au moins un dispositif de séparation par adsorption configuré pour éliminer au moins en partie du monoxyde de carbone contenu dans le flux d’hydrogène, en particulier dans le flux d’hydrogène appauvri en composés aqueux et/ou dioxyde de carbone, et pour obtenir un flux d’hydrogène appauvri en monoxyde de carbone. Le dispositif de séparation par adsorption est notamment configuré pour être modulé en pression et/ou en température et comprend au moins deux adsorbeurs configurés pour fonctionner selon un enchaînement d’étapes d’adsorption et de régénération. En particulier, l’étape de pilotage du dispositif de commutation fluidique comprend un pilotage dudit dispositif de sorte à faire contourner le dispositif de séparation par adsorption à au moins une partie du flux d’hydrogène alimenté.
  • Selon une caractéristique du procédé, l’étape de purification comprend les étapes suivantes :
    - élimination d’au moins une partie du monoxyde de carbone du flux d’hydrogène circulant à travers le système de purification, notamment du flux d’hydrogène appauvri en oxygène et/ou en composés aqueux.
    L’étape d‘élimination d’au moins une partie du monoxyde de carbone se fait notamment par adsorption modulée en température et/ou en pression, en particulier dans ledit dispositif de séparation par adsorption.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - calcul d’un écart entre la concentration mesurée et une valeur consigne de concentration en impureté,
    - ouverture d’un évent si l’écart calculé est supérieur à une valeur seuil critique prédéterminée,
    - décharge, en amont du système de purification, du flux d’hydrogène alimenté à travers l’évent ouvert.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - mesure d’une concentration en oxygène (O2) et/ou en composés aqueux dans le flux d’hydrogène fourni ou dans le flux d’hydrogène alimenté,
    - calcul d’un écart entre la concentration en oxygène (O2) mesurée et une valeur consigne de concentration en oxygène (O2) et/ou calcul d’un écart entre la concentration en composés aqueux mesurée et une valeur consigne de concentration en composés aqueux,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si les écarts calculés sont inférieurs à une valeur seuil prédéterminée, fermeture du premier obturateur et ouverture de la vanne de dérivation,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si un écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée, ouverture du premier obturateur et fermeture de la vanne de dérivation.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes :
    - mesure d’une concentration en monoxyde de carbone (CO) dans le flux d’hydrogène fourni ou dans le flux d’hydrogène alimenté,
    - calcul d’un écart entre la concentration en monoxyde de carbone mesurée et une valeur consigne de concentration en monoxyde de carbone,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est inférieur à une valeur seuil prédéterminée, fermeture du deuxième obturateur et ouverture de la vanne de contournement,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée, ouverture du deuxième obturateur et fermeture de la vanne de contournement.
  • Le procédé est notamment mis en œuvre avec le dispositif de remplissage décrit précédemment.
  • D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple possible de mise en œuvre de l’invention.
  • Comme illustré à la , l’invention concerne un dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène. Le dispositif comprend une ligne de transfert 1, dont l’extrémité amont est raccordée à une source d’hydrogène 2, ce qui permet d’alimenter le dispositif de remplissage en hydrogène (hydrogène alimenté). L’extrémité aval est reliée à des réservoirs de transport en vrac d’hydrogène 3, appelés aussi « trailers » à remplir en hydrogène (hydrogène de remplissage). La source d'hydrogène peut être classiquement du type réseau de gaz d'hydrogène a une pression comprise entre 1.3 bar abs (bar absolu) et 200 bar abs, organe de production d'hydrogène tel qu'un électrolyseur, reformeur de gaz naturel (« SMR »), dispositif de craquage de méthanol ou d’ammoniac, dispositif de reformage autotherme (« ATR »), ou dispositif d'oxydation partiel (« POX »). La source d’hydrogène 2 fournit un flux d’hydrogène pouvant comprendre au moins une impureté telle que des composés soufrés et/ou halogénés, de l’oxygène, des composés aqueux, du dioxyde de carbone et/ou du monoxyde de carbone.
  • La ligne de transfert 1 comprend un dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés. Le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés comprend une première bouteille 4 comprenant un premier lit de garde et une deuxième bouteille 5 comprenant un deuxième lit de garde. Lors du fonctionnement du dispositif de remplissage, la première et la deuxième bouteille éliminent les composés soufrés et/ou halogénés en amont du système de purification, les premiers et deuxièmes lits de garde se saturant au fur et à mesure en lesdits composés jusqu’à ce qu’il convienne de les changer.
  • Le système de purification est configuré pour éliminer au moins en partie une impureté contenue dans le flux d’hydrogène fourni par la source, produisant ainsi un hydrogène purifié, par exemple en séparant ladite impureté du flux d’hydrogène fourni par la source, éventuellement après réaction de l’impureté, par exemple à l’aide d’un catalyseur.
  • Le système de purification comprend une unité de désoxygénation et de séchage de l’hydrogène débarrassé de ces composés soufrés et/ou halogénés. L’unité de désoxygénation et de séchage comprend un réacteur de désoxygénation catalytique 6, dans laquelle une impureté dioxygène va réagir avec une partie de l’hydrogène au contact d’un catalyseur, générant ainsi de l’eau. L’unité de désoxygénation et de séchage comprend également une unité d’adsorption modulée en température (unité TSA) 7 qui sépare de l’hydrogène fourni par la source le dioxyde de carbone et les composés aqueux, dont l’eau générée par le réacteur de désoxygénation. L’unité TSA 7 fonctionne ainsi comme un sécheur. L’unité TSA 7 produit ainsi un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone. L’unité TSA 7 comprend au moins deux adsorbeurs configurés pour fonctionner selon un enchaînement d’étapes d’adsorption et de régénération. Une partie de l’hydrogène fourni par la source est consommé pour la régénération de l’adsorbeur.
  • Le système de purification comprend un dispositif de séparation par adsorption 8 configuré pour séparer du flux d’hydrogène appauvri en composés aqueux et/ou appauvri en dioxyde de carbone au moins une partie du monoxyde de carbone. Le dispositif de séparation par adsorption 8 produit ainsi un gaz résiduaire enrichi en monoxyde de carbone. Le dispositif de séparation par adsorption 8 est modulé en pression et/ou en température et comprend au moins deux adsorbeurs configurés pour fonctionner selon un enchaînement d’étapes d’adsorption et de régénération.
  • Le système de purification est dans le mode de réalisation représenté configuré pour produire un hydrogène purifié à plus de 99% de pureté. L’hydrogène purifié est notamment conforme au grade D de la norme ISO14687-2019, correspondant à un usage de l’hydrogène pour la mobilité.
  • Le dispositif de remplissage comprend une branche de contournement 9 et une branche de contournement 10 qui constituent, avec une portion de la ligne de transfert 1 située entre l’unité de désoxygénation et de séchage et le dispositif de séparation par adsorption 8, une voie de contournement pour permettre le cas échéant à au moins une partie de l’hydrogène de contourner l’unité de désoxygénation et de séchage et/ou le dispositif de séparation par adsorption 8. La branche de contournement 9 comprend une vanne de dérivation 11 qui permet d’ouvrir au moins partiellement ou fermer la branche de contournement 9. La branche de contournement 9 est connectée fluidiquement à la ligne de transfert 1 au niveau d’un raccord 13 et d’un raccord 14. La branche de contournement 10 comprend une vanne de contournement 12 qui permet d’ouvrir au moins partiellement ou fermer la branche de contournement 10. La branche de contournement 10 est connectée fluidiquement à la ligne de transfert 1 au niveau d’une jonction 15 et d’une jonction 16.
  • Un premier obturateur 17 est disposé sur la ligne de transfert 1 et permet d’empêcher la circulation de l’hydrogène à travers le système de purification. Par ailleurs, un deuxième obturateur 18 est disposé sur la ligne de transfert 1 et permet d’empêcher la circulation de l’hydrogène à travers le dispositif de séparation par adsorption 8.
  • Les obturateurs, la vanne de dérivation et la vanne de contournement constituent un dispositif de commutation fluidique contrôlable par une unité de pilotage 20.
  • Grâce à ces branches de contournement, le dispositif de remplissage peut fonctionner, selon une consigne de l’unité de pilotage 20, séquentiellement avec l’unité de désoxygénation et de séchage ou avec le dispositif de séparation par adsorption 8, ou encore avec cette unité et ce dispositif cumulés en série ou sans cette unité et ce dispositif.
  • Le dispositif de remplissage comprend un dispositif d’acquisition de données 19 capable de mesurer une concentration en diverses impuretés dans l’hydrogène fourni par la source et circulant dans la ligne de transfert 1. Le dispositif d’acquisition de données 19 comprend un analyseur de la mesure de la concentration en impureté dans l’hydrogène fourni, ainsi qu’un ensemble de capteurs parmi lesquels un capteur de monoxyde de carbone 21, un capteur de composés aqueux 22 et un capteur d’oxygène 23. Les capteurs sont disposés en amont du système de purification. L’analyseur peut typiquement comprendre un chromatographe, un spectromètre ou un laser. Le monoxyde de carbone (CO) sert typiquement de marqueur de qualité pour l’hydrogène destiné aux piles à combustible.
  • Le capteur de mesure d’une impureté et le premier obturateur 17, ou le capteur de mesure d’une impureté et le deuxième obturateur 18, délimitent une portion amont 24 de la ligne de transfert 1, ladite portion amont 24 comprenant le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés, Autrement dit, le dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés est disposé en aval du capteur de mesure d’une impureté et en amont du premier obturateur 17 et/ du deuxième obturateur 18.
  • Le dispositif d’acquisition de données 19 peut recevoir une consigne relative à l’hydrogène de remplissage, telle qu’une consigne de pureté de l’hydrogène de remplissage. Lorsqu’une consigne relative à un degré de pureté inférieur est reçue, le niveau de pureté de l’hydrogène alimenté peut être mesuré et comparé à la consigne de pureté. La voie de contournement rend possible de contourner au moins en partie le système de purification afin de pas purifier excessivement l’hydrogène fourni par la source et faire de la sur-qualité.
  • Le dispositif d’acquisition de données 19 peut également recevoir une donnée de prédiction d’une concentration en impureté(s) dans l’hydrogène fourni par la source, par exemple lors d’une phase durant laquelle la probabilité que l’hydrogène fourni par la source comprenne trop d’impuretés est élevée, telle qu’une phase à risque. La dispositif d’acquisition de données 19 peut ainsi recevoir une indication sur la nature de la source d’hydrogène 2, en particulier une indication sur le changement d’une source d’un type donné, pour une autre source d’un autre type : la prévision peut ainsi être faite en fonction de l’origine de l’hydrogène.
  • Le dispositif de remplissage comprend un évent 25 agencé pour être ouvert ou fermé par l’unité de pilotage 20 et décharger l’hydrogène alimenté lorsque, par exemple, la composition de l’hydrogène fourni par la source s’écarte trop d’une spécification pour le remplissage du réservoir. L’évent 25 est raccordé fluidiquement à la ligne de transfert 1 en amont du système de purification et comprend une ligne de décharge 28 munie d’une vanne de décharge 26 apte à ouvrir ou fermer la ligne de décharge 28. Le dispositif de remplissage comprend une vanne d’isolation 27 disposée sur la ligne de transfert 1 en aval de l’évent 25 et permettant de bloquer la circulation de l’hydrogène alimenté en amont du système de purification. L’évent 25 peut ainsi décharger, en amont du système de purification, l’hydrogène alimenté au dispositif de remplissage, lorsque sa teneur en monoxyde de carbone devient inacceptable car ayant dépassé une valeur seuil critique. Le monoxyde de carbone est en effet un marqueur standard de qualité pour l’hydrogène destiné aux piles à combustibles.
  • Le dispositif d’acquisition de données 19 peut recevoir une donnée relative à un dysfonctionnement de la source pouvant occasionner une présence anormalement élevée d’impureté. Dans ce cas, le dispositif d’acquisition de données 19 peut recevoir une alerte sur le fonctionnement de la source et le dispositif d’acquisition de données 19 pilote le dispositif de commutation fluidique de sorte à faire circuler l’hydrogène à travers au moins une partie du système de purification et purifier ainsi l’hydrogène.
  • Le dispositif d’acquisition de données 19 peut également recevoir une donnée relative à un dysfonctionnement du système de purification, telle qu’une indication que le dispositif de séparation par adsorption 8 modulé en pression « trip ». Le dispositif d’acquisition de données 19 peut alternativement recevoir une donnée relative à une maintenance programmée du système de purification. Dans ces cas de figure, le dispositif d’acquisition de données 19 pilote le du dispositif de commutation fluidique de sorte à faire contourner le système de purification dis-fonctionnel ou devant subir une opération de maintenance à l’hydrogène. L’évent 25 peut également être ouvert afin de décharger l’hydrogène alimenté au système de remplissage et ne plus remplir les réservoirs avec lorsqu’il est établi que la qualité de l’hydrogène fourni par la source est insuffisante à cause de la présence trop importante d’impureté.
  • L‘unité de pilotage 20 est programmée pour mettre en œuvre les étapes suivantes :
    - calcul d’un écart (en valeur absolue) entre la concentration mesurée et une valeur consigne de concentration en impureté,
    - détermination d’une absence de besoin en purification de l’hydrogène alimenté si l’écart est inférieur à une valeur seuil prédéterminée. Quel que soit le type de donnée de détermination acquise, la valeur seuil prédéterminée peut être égale à zéro.
    - détermination d’un besoin en purification de l’hydrogène alimenté si l’écart est supérieur à la valeur seuil prédéterminée.
    L’unité de pilotage 20 est également programmée pour mettre en œuvre des étapes similaires pour les autres type de données reçues, telles qu’un dysfonctionnement de la source ou du système de purification, une consigne de pureté de l’hydrogène de remplissage, ou une donnée de prédiction.
  • En fonction de si un besoin ou une absence de besoin en purification sont déterminés, l’unité de pilotage 20 pilote le dispositif de commutation fluidique de sorte à faire contourner au moins une partie du système de purification à au moins une partie de l’hydrogène alimenté ou au moins une partie de cet hydrogène alimenté ou au contraire faire circuler l’hydrogène alimenté à travers au moins une partie du système de purification, afin de purifier l’hydrogène alimenté ou non. En particulier, lorsqu’un besoin en purification en composés aqueux et/ou oxygène est établi, l’obturateur 17 est ouvert et la vanne de dérivation 11 est fermée. A l’inverse, l’obturateur 17 est fermé et la vanne de dérivation 11 est ouverte si une absence de besoin est établie. En outre lorsqu’un besoin en purification en monoxyde de carbone est établi, l‘obturateur 18 est ouvert et la vanne de contournement 12 est fermée. A l’inverse, l’obturateur 18 est fermé et la vanne de contournement 12 est ouverte si une absence de besoin est établie.
  • La portion amont 24 et les lits de garde sont dimensionnés de telle sorte que le temps de trajet de l’hydrogène dans la portion amont 24 soit plus long que le temps de mesure de la concentration en impureté par le dispositif d’acquisition de données 19, ajouté au temps de manœuvre de l’obturateur 17, 18 entre une position où ledit obturateur 17, 18 autorise une circulation de l’hydrogène à travers le système de purification et une position où ledit obturateur 17, 18 interdit une telle circulation.
  • Les capteurs, le dispositif d’acquisition de données 19, le dispositif de pilote et les vannes et obturateurs sont reliés ensemble par des moyens de connexion électriques et/ou numérique (représentés en lignes pointillées sur la figure), le cas échéant de type « sans-fil » (« wireless » en anglais).
  • En outre, la ligne de transfert 1 est pourvue d’un module de compression 29 de l’hydrogène purifié ou de l’hydrogène alimenté. Dans un mode de réalisation non représenté, la ligne de transfert 1 comprend un module de liquéfaction de l’hydrogène agencé sur la ligne de transfert 1 en aval du système de purification. Il est ainsi possible de remplir le réservoir d’un véhicule de transport en hydrogène liquide, lorsque ledit véhicule doit parcourir des distances plus importantes. Le module de compression 29 comprend deux compresseurs en parallèle. Les compresseurs peuvent être choisis parmi un compresseur à membranes ou un compresseur à pistons. Une ligne de by-pass permet le cas échéant à au moins une partie de l’hydrogène alimenté ou de l’hydrogène purifié de contourner le module de compression. La ligne de by-pass comprend une vanne actionnable pour le cas-échéant faire contourner le module de compression à l’hydrogène.
  • L’invention introduit une plus grande flexibilité. L’unité TSA et le dispositif de séparation par adsorption 8 peuvent nécessiter de consommer de l’hydrogène pour leur régénération. Lorsqu’une priorité est donnée à la préservation du produit hydrogène, la voie de contournement permet à l’hydrogène circulant dans le dispositif de remplissage de contourner l’unité TSA et/ou le dispositif de séparation par adsorption 8 et ceux-ci peuvent rester à l’arrêt. Ainsi, aucun hydrogène n’est perdu dans la régénération de l’unité TSA et/ou du dispositif de séparation par adsorption 8.

Claims (15)

  1. Dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène sous pression, le dispositif de remplissage comprenant une ligne de transfert (1) configurée pour acheminer un flux d’hydrogène depuis une source d’hydrogène (2) vers un réservoir à remplir,
    la ligne de transfert (1) comprenant :
    - un système de purification du flux d’hydrogène fourni par la source, configuré pour éliminer au moins en partie une impureté contenue dans le flux d’hydrogène fourni et produire ainsi un hydrogène purifié,
    le dispositif de remplissage comprenant :
    - une voie de contournement du système de purification, configurée pour faire contourner au moins une partie du système de purification au flux d’hydrogène,
    - un dispositif de commutation fluidique configuré pour faire circuler le flux d’hydrogène à travers le système de purification et/ou à travers la voie de contournement,
    - un dispositif d’acquisition de données (19),
    - une unité de pilotage (20) configurée pour piloter le dispositif de commutation fluidique, en fonction d’une donnée en provenance du dispositif d’acquisition de données (19).
  2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la voie de contournement comprend au moins une branche de contournement connectée fluidiquement à la ligne de transfert (1) de sorte à faire contourner au moins une partie du système de purification au flux d’hydrogène.
  3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de commutation fluidique comprend une vanne de dérivation (11) agencée sur la branche de contournement pour autoriser, interdire ou réguler la circulation du flux d’hydrogène à travers la branche de contournement.
  4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de commutation fluidique comprend un obturateur (17, 18) agencé sur la ligne de transfert (1) en amont du système de purification pour autoriser, interdire ou réguler la circulation du flux d’hydrogène à travers le système de purification.
  5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’acquisition de données (19) est configuré pour mesurer une concentration en impureté dans le flux d’hydrogène fourni par la source, en amont du système de purification, et comprend au moins un capteur (21, 22, 23) de mesure de la concentration en impureté.
  6. Dispositif selon les revendications 4 et 5, dans lequel le au moins un capteur (21, 22, 23) de mesure de la concentration en impureté et l’obturateur (17, 18) délimitent une portion dite amont (24) de la ligne de transfert (1), la portion amont (24) comprenant un dispositif d’élimination des composés soufrés et/ou halogénés comprenant au moins un lit de garde configuré(s) pour retenir lesdits composés, la portion amont, notamment le(s) lit(s) de garde, est dimensionnée de telle sorte que le temps de trajet du flux d’hydrogène dans la portion amont (24) soit plus long que le temps de mesure de la concentration en impureté par le dispositif d’acquisition de données (19), ajouté au temps de manœuvre de l’obturateur (17, 18) entre une position où ledit obturateur (17, 18) autorise une circulation du flux d’hydrogène à travers le système de purification et une position où ledit obturateur (17, 18) interdit une telle circulation.
  7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de purification comprend au moins un lit d’adsorbant et/ou au moins un lit catalytique.
  8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de purification comprend une unité de désoxygénation et/ou de séchage.
  9. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 3 à 7 et selon les revendications 2 et 8, dans lequel la au moins une branche de contournement comprend une branche de contournement de l’unité de désoxygénation et de séchage (9) connectée fluidiquement à la ligne de transfert (1) de sorte à faire contourner l’unité de désoxygénation et de séchage au flux d’hydrogène.
  10. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de purification comprend un dispositif de séparation par adsorption (8) configuré pour éliminer au moins en partie du monoxyde de carbone contenu dans le flux d’hydrogène.
  11. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 3 à 9 et selon les revendications 2 et 10, dans lequel la au moins une branche de contournement comprend une branche de contournement du dispositif de séparation par adsorption (10) connectée fluidiquement à la ligne de transfert (1) de sorte à faire contourner le dispositif de séparation par adsorption (8) au flux d’hydrogène.
  12. Station de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène de véhicules, la station de remplissage comprenant un dispositif de remplissage selon l’une des revendications précédentes.
  13. Procédé de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène sous pression, comprenant les étapes :
    - fourniture d’un flux d’hydrogène depuis une source d’hydrogène (2), le flux d’hydrogène pouvant comprendre au moins une impureté telle que des composés soufrés et/ou halogénés, de l’oxygène, des composés aqueux, du dioxyde de carbone et/ou du monoxyde de carbone
    - alimentation d’un dispositif de remplissage de réservoir(s) d’hydrogène avec le flux d’hydrogène fourni, le dispositif de remplissage comprenant un système de purification du flux d’hydrogène alimenté et un dispositif de commutation fluidique,
    - acquisition d’une donnée de détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté ou d’une donnée relative à un dysfonctionnement ou une maintenance du système de purification,
    - pilotage du dispositif de commutation fluidique de sorte à faire contourner au moins une partie du système de purification à au moins une partie du flux d’hydrogène alimenté.
  14. Procédé selon la revendication précédente, comprenant les étapes suivantes :
    - acquisition d’une donnée de détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté,
    - pilotage du dispositif de commutation fluidique de sorte à faire circuler le flux d’hydrogène alimenté à travers le système de purification,
    - purification du flux d’hydrogène circulant à travers le système de purification et production d’un hydrogène purifié.
  15. Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, comprenant les étapes suivantes :
    - mesure d’une concentration en impureté dans le flux d’hydrogène fourni ou dans le flux d’hydrogène alimenté,
    - calcul d’un écart entre la concentration mesurée et une valeur consigne de concentration en impureté,
    - détermination d’une absence de besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est inférieur à une valeur seuil prédéterminée,
    - détermination d’un besoin en purification du flux d’hydrogène alimenté si l’écart calculé est supérieur à la valeur seuil prédéterminée.
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