FR2570689A1 - DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF DE PRODUCTION D'HYDROGENE 10 POUR LE GONFLAGE DES BALLONS DE HAUTE ALTITUDE. IL COMPREND UNE ENCEINTE 12 MUNIE D'UN PASSAGE DE SORTIE 14 ET DANS LAQUELLE EST DISPOSEE UNE MATRICE UNITAIRE SOLIDE 16 D'UN HYDRURE METALLIQUE DECOMPOSABLE ENDOTHERMIQUEMENT AYANT UN POURCENTAGE PREDETERMINE DE VIDES DE MANIERE A PERMETTRE UNE LIBERATION CONTROLEE DE L'HYDROGENE LORS DE SA DECOMPOSITION, LA MATRICE D'HYDRURE AYANT UNE FORME EPOUSANT LA CONFIGURATION INTERIEURE DE L'ENCEINTE ET ETANT DIMENSIONNEE POUR REMPLIR PRATIQUEMENT LE VOLUME INTERIEUR DE L'ENCEINTE, LA MATRICE PRESENTANT UNE SERIE DE TROUS 20 REPARTIS UNIFORMEMENT; UNE SOURCE CHIMIQUE DE CHALEUR 24 DISPOSEE A L'INTERIEUR DE CHAQUE TROU POUR FOURNIR DE L'ENERGIE EXOTHERMIQUE AFIN DE DECOMPOSER L'HYDRURE; UN MOYEN 28 D'AMORCAGE DE LA REACTION POUR CHAQUE SOURCE CHIMIQUE DE CHALEUR; ET UN MOYEN 32 DISPOSE SUR L'EXTERIEUR DE L'ENCEINTE POUR METTRE EN MARCHE LE MOYEN D'AMORCAGE DE LA REACTION.HYDROGEN 10 PRODUCTION DEVICE FOR INFLATION OF HIGH ALTITUDE BALLOONS. IT INCLUDES AN ENCLOSURE 12 EQUIPPED WITH AN OUTPUT PASS 14 AND IN WHICH IS ARRANGED A SOLID UNIT MATRIX 16 OF ENDOTHERMICALLY DECOMPOSABLE METAL HYDRIDE HAVING A PREDETERMINED PERCENTAGE OF VACUUMS SO AS TO ALLOW A SADROGENTED RELEASE OF THE HYDROGEN. DECOMPOSITION, THE HYDRIDE MATRIX HAVING A SHAPE OF THE INTERIOR CONFIGURATION OF THE ENCLOSURE AND BEING SIZED TO PRACTICALLY FILL THE INTERIOR VOLUME OF THE ENCLOSURE, THE MATRIX PRESENTING A SERIES OF 20 HOLES DISTRIBUTED UNIFORMLY; A CHEMICAL SOURCE OF HEAT 24 PROVIDED INSIDE EACH HOLE TO PROVIDE EXOTHERMAL ENERGY TO DECOMPOSE HYDRIDE; A MEANS 28 FOR INITIATING THE REACTION FOR EACH CHEMICAL SOURCE OF HEAT; AND A MEANS 32 AVAILABLE ON THE OUTSIDE OF THE ENCLOSURE TO START THE MEANS FOR PRIMING THE REACTION.
Description
La présente invention concerne des procédés et dispositifs de productionThe present invention relates to production methods and devices
d'hydrogène en général et, plus particulièrement, des procédés et dispositifs pouvant être of hydrogen in general and, more particularly, of processes and devices which can be
appliqués au gonflage à haute altitude de ballons en pelli- applied to the high altitude inflation of film balloons
cules fines lancés par des fusées. fine cules launched by rockets.
Les dispositifs de gonflage des ballons en pelli- Inflators for film balloons
cule fine lancés par des fusées à des altitudes élevées de fine cule launched by rockets at high altitudes of
l'ordre de 20 000-30 000 mètres, par exemple, doivent satis- on the order of 20,000-30,000 meters, for example, must meet
faire un certain nombre de conditions rigoureuses. A cause des limitations en matière de place et de poids dans la fusée, il est souhaitable que les dispositifs de gonflage aient une capacité volumétrique élevée sous un faible volume make a number of stringent conditions. Because of the space and weight limitations in the rocket, it is desirable that the inflation devices have a high volumetric capacity in a small volume
total et soient légers. On doit pouvoir les stocker en sécu- total and be light. We must be able to store them safely.
rité pendant de longues durées, et ils doivent être capables de libérer rapidement le gaz de gonflage de manière à ce que rity for long periods of time, and they must be able to quickly release the inflation gas so that
le temps de remplissage d'un ballon soit de l'ordre de quel- the filling time for a balloon is of the order of
ques minutes seulement. En outre, à cause de la haute alti- only minutes. In addition, because of the high alti-
tude à laquelle le gonflage a lieu et de la nature fragile des pellicules fines dont on construit les ballons, il est study at which inflation takes place and the fragile nature of the thin films from which the balloons are constructed, it is
nécessaire d'avoir l'assurance que le dispositif ne crée au- necessary to have the assurance that the device does not create
cune vapeur d'eau, laquelle pourrait être à l'origine, aux températures rencontrées à haute altitude, de la formation cune vapor, which could be at the origin, at the temperatures encountered at high altitude, of the formation
de glace pouvant couper la pellicule, ou de substances chi- ice that can cut the film, or chemicals
miques susceptibles d'attaquer la pellicule ou former des mites likely to attack the film or form
revêtements thermiques indésirables. unwanted thermal coatings.
-2 On préfère utiliser l'hydrogène à la place d'hélium comme gaz de gonflage dans de telles applications, car il confère le pouvoir ascensionnel spécifique le plus élevé de tous les gaz éventuels qu'on pourrait utiliser pour le gonflage (son pouvoir ascensionnel est de 7% supérieur à celui de l'hélium, par exemple). 450 g d'hydrogène déplace environ 6 kg d'air, alors que 450 g d'hélium ne déplacent que 3 kg d'air. Cependant, l'utilisation des dispositifs de -2 We prefer to use hydrogen instead of helium as an inflation gas in such applications, because it gives the highest specific lift of all possible gases that could be used for inflation (its lift is 7% higher than that of helium, for example). 450 g of hydrogen displaces approximately 6 kg of air, while 450 g of helium displaces only 3 kg of air. However, the use of
gonflage à l'hydrogène soulève des problèmes, liés principa- hydrogen inflation raises problems, mainly related to
lement à la sécurité. On peut stocker l'hydrogène soit sous forme gazeuse, soit sous forme liquide, ou le produire dans un système chimique. Un inconvénient important des systèmes de stockage des gaz est la nécessité de faire appel à des pressions très élevées et à des récipients très lourds pour renfermer le gaz à cause de sa pression. Il y a évidemment des problèmes de sécurité qui sont inhérents à l'utilisation de récipients soumis à une haute pression. Les systèmes de stockage liquide par cryogénie éliminent la nécessité de faire appel à un stockage à haute pression, mais leur durée de vie est limitée à cause des pertes dues à la chaleur. En outre, les systèmes cryogéniques soulève des problèmes de sécurité liés à l'exposition à des matériaux surfondus et au risque d'échappement de l'hydrogène à la suite d'avaries ou security. Hydrogen can be stored either in gaseous or liquid form, or produced in a chemical system. A major drawback of gas storage systems is the need to use very high pressures and very heavy containers to contain the gas because of its pressure. There are obviously safety concerns which are inherent in the use of containers subjected to high pressure. Liquid cryogenic storage systems eliminate the need for high pressure storage, but their service life is limited due to heat loss. In addition, cryogenic systems raise safety concerns related to exposure to supercooled materials and the risk of hydrogen escape due to damage or
de défauts dans l'installation.installation faults.
On connaît des systèmes chimiques pour la produc- Chemical systems are known for the production of
tion d'hydrogène qui emploient des composés, tels que les hydrures, libérant de l'hydrogène par réaction chimique ou décomposition thermique. De tels systèmes évitent la plupart des problèmes de sécurité liés aux systèmes de stockage à gaz comprimé et cryogéniques, et ont même fait l'obj-et de tion of hydrogen which use compounds, such as hydrides, releasing hydrogen by chemical reaction or thermal decomposition. Such systems avoid most of the safety problems associated with compressed gas and cryogenic storage systems, and have even been the object of
propositions pour le gonflage de ballons et analogues em- proposals for inflating balloons and the like
ployés comme balises. Cependant, les sytèmes connus de ce type ne satisfont pas les critères relatifs à la petitesse du volume total, à la légèreté, et à la production rapide de gaz qu'on exige des dispositifs de gonflage à haute altitude des grands ballons de support de charge. lancés par les fusées. Il est souhaitable de disposer de dispositifs et de procédés de production d'hydrogène à base d'hydrure comme système de gonflage à de telles fins, et tel est l'objet de la présente invention. La présente invention prévoit un dispositif et un procédé de production d'hydrogène qui sont particulièrement bien adaptés au gonflage à haute altitude des ballons et analogues. La présente invention est basée sur l'utilisation d'hydrures métalliques pouvant se décomposer thermiquement bent as tags. However, known systems of this type do not satisfy the criteria relating to the smallness of the total volume, the lightness, and the rapid production of gas which is required from the inflating devices at high altitude of the large load-bearing balloons. . launched by rockets. It is desirable to have devices and methods for producing hydride-based hydrogen as an inflation system for such purposes, and this is the object of the present invention. The present invention provides a device and method for producing hydrogen which are particularly well suited for inflating balloons and the like at high altitude. The present invention is based on the use of metal hydrides which can decompose thermally.
comme milieu permettant de stocker avec sûreté de l'hydro- as a medium for safely storing hydro-
gène gazeux, et sur l'utilisation de réactifs chimiques qui sont inertes, sûrs, et ont une longue durée de vie comme source de chaleur libérée rapidement pour décomposer les gas gene, and on the use of chemical reagents that are inert, safe, and have a long lifespan as a heat source released quickly to decompose
hydrures métalliques afin d'en dissocier l'hydrogène. metallic hydrides in order to dissociate hydrogen therefrom.
En bref, un système de production d'hydrogène selon la présente invention comprend une enceinte renfermant Briefly, a hydrogen production system according to the present invention comprises an enclosure containing
une matrice d'hydrure métallique solide, unitaire, décompo- a solid, unitary, decomposed metal hydride matrix
sable thermiquement, comprenant un pourcentage prédéterminé de vides de manière à permettre une libération contr8ôlée d'hydrogène gazeux lors de la décomposition. La matrice thermally sand, comprising a predetermined percentage of voids so as to allow controlled release of hydrogen gas during decomposition. The matrix
d'hydrure est façonnée de manière à épouser la forme inté- of hydride is shaped in such a way as to follow the internal form
rieure de l'enceinte et à en remplir pratiquement le volume intérieur. La matrice d'hydrure comporte en outre une série de trous répartis uniformément, chaque trou recevant une of the enclosure and practically filling the interior volume. The hydride matrix further comprises a series of holes distributed uniformly, each hole receiving a
source chimique de chaleur afin de fournir l'énergie exo- chemical source of heat in order to provide exo-
thermique requise pour la dissociation de l'hydrogène dans la matrice d'hydrure et un moyen d'amorçage de la réaction pour la source de chaleur. Un moyen permettant d'activer le moyen d'amorçage de la réaction est disposé dans la surface extérieure de l'enceinte, et celle-ci comporte un passage de thermal required for dissociation of hydrogen in the hydride matrix and a means of initiating the reaction for the heat source. A means for activating the means for initiating the reaction is disposed in the outer surface of the enclosure, and the latter comprises a passage for
sortie pour l'évacuation de l'hydrogène gazeux libéré. outlet for the evacuation of the released gaseous hydrogen.
De préférence, l'enceinte est sphérique, car cette forme permet le volume de stockage maximum dans l'espace le Preferably, the enclosure is spherical, because this shape allows the maximum storage volume in the space the
plus faible, d'o la minimisation du volume total du dispo- lower, hence the minimization of the total volume of the available
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sitif, et constitue la meilleure forme en termes de résis- and is the best form in terms of resistance.
tance mécanique pour une structure pressurisée, ce qui permet de minimiser l'épaisseur et le poids des parois de mechanical pressure for a pressurized structure, which minimizes the thickness and weight of the walls
l'enceinte. La matrice d'hydrure métallique est de préféren- the enclosure. The metal hydride matrix is preferably
ce de l'hydrure de magnésium, qu'on peut catalyser par addi- tion de 5 à 10% en poids de nickel. La source chimique de that of magnesium hydride, which can be catalyzed by the addition of 5 to 10% by weight of nickel. The chemical source of
chaleur comprend de préférence des composés chimiques inter- heat preferably includes chemical compounds
métalliques ou autres composés chimiques exothermiques, car ils fournissent la chaleur la plus grande pour le poids et le volume minimaux et peuvent être mis en oeuvre de manière metallic or other exothermic chemical compounds, because they provide the greatest heat for the minimum weight and volume and can be used in a manner
fiable. La source de chaleur peut être gainée avec une céra- reliable. The heat source can be sheathed with a ceramic
mique, par exemple, en étant incluse dans des tubes insérés dans les trous de la matrice d'hydrure afin d'éviter une réaction entre l'hydrogène libéré et les métaux de la source de chaleur. Les sources de chaleur recommandées comprennent le diborure de titane et des mélanges de béryllium et de Mg(C104)2. mique, for example, by being included in tubes inserted in the holes of the hydride matrix in order to avoid a reaction between the released hydrogen and the metals of the heat source. Recommended heat sources include titanium diboride and mixtures of beryllium and Mg (C104) 2.
La description qui va suivre se réfère à la figure The following description refers to the figure
annexée qui représente une vue en coupe d'un générateur attached which represents a sectional view of a generator
d'hydrogène gazeux selon la présente invention. hydrogen gas according to the present invention.
La présente invention convient particulièrement à un dispositif de production d'hydrogène pour le gonflage de The present invention is particularly suitable for a hydrogen production device for inflating
ballons lancés par des fusées à haute altitude, et sera dé- balloons launched by rockets at high altitude, and will be de-
crite dans ce contexte. Cependant, comme on le remarquera, written in this context. However, as will be noted,
son domaine d'utilisation est plus vaste et la description its field of use is wider and the description
qui va suivre correspond simplement à un type d'application. which follows will simply correspond to a type of application.
Comme on l'a indiqué précédemment, un dispositif As previously indicated, a device
de gonflage à l'hydrogène d'un ballon lancé en haute altitu- inflation with a balloon launched in high altitude
de à partir d'une fusée doit avoir comme caractéristiques of from a rocket must have as characteristics
principales une grande capacité volumétrique et un petit vo- main a large volumetric capacity and a small vo-
lume total, un faible poids, être sûr, avoir une longue durée de vie et permettre une libération rapide des gaz de manière à obtenir une durée de remplissage du ballon de l'ordre de deux à trois minutes, par exemple. S'agissant du lume total, low weight, be safe, have a long life and allow rapid release of gases so as to obtain a filling time of the balloon of the order of two to three minutes, for example. Regarding the
volume et du poids, le volume constitue généralement le pa- volume and weight, volume is usually the pa-
ramètre le plus astreignant, bien que volume et poids soient également importants. De plus, il importe que l'hydrogène reduces the most demanding, although volume and weight are also important. In addition, it is important that hydrogen
gazeux produit soit exempt de vapeur d'eau et d'agents con- gaseous product is free of water vapor and agents
taminants, lesquels pourraient endommager le ballon. Le gé- taminants, which could damage the balloon. The giant
nérateur de gaz hydrogène de la présente invention, compre- nant un milieu de stockage d'hydrure métallique décomposable hydrogen gas generator of the present invention, comprising a decomposable metal hydride storage medium
thermiquement et une source chimique ayant une énergie ther- thermally and a chemical source having thermal energy
mique spécifique élevée afin de fournir la chaleur requise high specific mique to provide the required heat
pour la dissociation de l'hydrogène, satisfait les condi- for the dissociation of hydrogen, satisfies the conditions
tions précédentes d'une manière admirable et présente previous statements in an admirable and present manner
d'autres caractéristiques et avantages importants qui appa- other important features and advantages that appear
raîtront à la description suivante. will be seen in the following description.
Comme le montre la figure, un générateur d'hydro- As shown in the figure, a hydro generator
gène 10 selon la présente invention comprend un récipient ou enceinte 12 à paroi fine, de préférence de forme sphérique gene 10 according to the present invention comprises a container or enclosure 12 with a thin wall, preferably of spherical shape
et pouvant être réalisé en acier inoxydable, par exemple. and can be made of stainless steel, for example.
Une forme sphérique est recommandée car elle permet le volu- A spherical shape is recommended because it allows the volu-
me de stockage maximum dans l'espace minimum, et constitue la configuration la meilleure à utiliser pour un récipient sous pression. Un orifice de sortie de gaz 14, par exemple tubulaire, est ménagé dans la paroi du récipient 12 et est maximum storage space in the minimum space, and is the best configuration to use for a pressure vessel. A gas outlet port 14, for example tubular, is formed in the wall of the container 12 and is
destiné à être relié à un tube (non représenté) de remplis- intended to be connected to a filling tube (not shown)
sage du ballon. A l'intérieur du récipient 12 est disposée une matrice 16 d'hydrure métallique unitaire solide (que wise balloon. Inside the container 12 is arranged a matrix 16 of solid unitary metal hydride (which
l'on va décrire ci-après) comportant une balle sphérique so- we will describe below) comprising a spherical ball so-
lide d'hydrure métallique ayant des dimensions telles metal hydride liquid having dimensions such
qu'elle remplit sensiblement le volume intérieur du réci- that it substantially fills the interior volume of the container
pient. Pour permettre la mise en place de la matrice d'hydrure dans le récipient, celui-ci peut être constitué, comme cela est bien connu, de deux sections hémisphériques qui sont réunies autour de la matrice. La matrice d'hydrure peut en outre comporter plusieurs trous 20 qui peuvent la traverser complètement. A l'intérieur de chaque trou on a pient. To allow the establishment of the hydride matrix in the container, the latter may consist, as is well known, of two hemispherical sections which are joined around the matrix. The hydride matrix can also have several holes 20 which can pass completely through it. Inside each hole we have
disposé une source de chaleur 24 mise en marche électrique- arranged a heat source 24 electric start-
ment et présentant une énergie thermique spécifique élevée - 6 - (la source sera décrite plus pleinement ci-après). On peut revêtir les sources de chaleur 24 d'un matériau inerte à ment and having a high specific thermal energy - 6 - (the source will be described more fully below). The heat sources 24 can be coated with an inert material
l'hydrogène, tel qu'une céramique ou autre matériau appro- hydrogen, such as ceramic or other suitable material
prié, de manière à éviter qu'il y ait réaction entre l'hydrogène gazeux libéré par la matrice d'hydrure et les matériaux des sources de chaleur, par exemple en enfermant les sources dans des tubes cylindriques 26 en céramique montés à l'intérieur des trous 20. Un allumeur électrique 28 comprenant une amorce électrique classique, par exemple, required, so as to avoid any reaction between the hydrogen gas released by the hydride matrix and the materials of the heat sources, for example by enclosing the sources in cylindrical ceramic tubes 26 mounted inside holes 20. An electric igniter 28 comprising a conventional electric primer, for example,
peut être prévu pour chaque source de chaleur et être con- can be provided for each heat source and be
necté par un fil électrique 30 à un dispositif de mise en marche électrique 32, constitué, par exemple, d'une pile et connected by an electric wire 30 to an electric starting device 32, consisting, for example, of a battery and
d'un commutateur (non représentés). Le cas échéant, une cou- a switch (not shown). If necessary, a
che d'isolant thermique 34 peut entourer la surface exté- thermal insulation 34 may surround the outer surface
rieure du récipient 12, bien qu'on puisse s'en dispenser car les pertes de chaleur pendant la dissociation de l'hydrogène seront inférieures à environ 1% de l'énergie calorifique container 12, although it can be dispensed with because the heat losses during the dissociation of the hydrogen will be less than about 1% of the heat energy
émise par la source de chaleur.emitted by the heat source.
En général, les milieux de stockage des hydrures In general, hydride storage media
métalliques sont caractérisés par une grande capacité volu- are characterized by a large volu-
métrique de stockage par rapport au stockage de l'hydrogène storage metric versus hydrogen storage
gazeux ou liquide. Cependant, la plupart des hydrures métal- gaseous or liquid. However, most metal hydrides-
liques contiennent des pourcentages d'hydrogène relativement faibles par unité de poids d'hydrure. Par conséquent, le choix de l'hydrure particulier constituant la matrice 16 The liquids contain relatively low percentages of hydrogen per unit weight of hydride. Consequently, the choice of the particular hydride constituting the matrix 16
doit être fait d'une façon judicieuse pour éviter les péna- must be done judiciously to avoid the penalties
lités en matière de poids dont on aurait sinon à souffrir. the weight we would otherwise have to suffer from.
Le tableau 1 suivant indique le pourcentage en poids d'hydrogène et la capacité volumétrique de stockage de plusieurs hydrures métalliques différents par rapport au stockage d'hydrogène gazeux comprimé, avec utilisation d'un récipient sous pression en filament composite enroulé, (par exemple en filament du matériau dit Kevlar) équipé d'un revêtement en aluminium, permettant de stocker l'hydrogène à The following table 1 indicates the percentage by weight of hydrogen and the volumetric storage capacity of several different metal hydrides compared to the storage of compressed gaseous hydrogen, with the use of a pressure vessel made of coiled composite filament, (for example in filament of material called Kevlar) fitted with an aluminum coating, allowing hydrogen to be stored
des pressions de l'ordre de 50 MPa.pressures of the order of 50 MPa.
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TABLEAU 1TABLE 1
COMPARAISON DES MILIEUX DE STOCKAGE DE L'HYDROGENE COMPARISON OF HYDROGEN STORAGE MEDIA
Milieu Poids d'hydrogène Capacité de en % * stockage H2 g/ml MgH2 7,6 0, 132 TiH2 4,0 0,187 Medium Weight of hydrogen Capacity in% * storage H2 g / ml MgH2 7.6 0.132 TiH2 4.0 0.187
VH2 3,8 0,234VH2 3.8 0.234
FeTiH2 1,9 0,123 7TiFe 07Mn0,2Hl,91,72 0,09 LaNi5H6,7 1,5 0,126 FeTiH2 1.9 0.123 7TiFe 07Mn0.2Hl, 91.72 0.09 LaNi5H6.7 1.5 0.126
LH2 100 0,07LH2 100 0.07
H2 gazeux à MPa, 298 K 100 0,04 MPa, 298 K 100 0,008 * Le poids du conteneur ou de la source de chaleur n'est pas H2 gas at MPa, 298 K 100 0.04 MPa, 298 K 100 0.008 * The weight of the container or the heat source is not
inclus.included.
Parmi les hydrures métalliques cités ci-dessus, l'hydrure de magnésium (MgH2) et l'hydrure de vanadium (VH2) sont intéressants au point de vue poids minimum et capacité de stockage volumétrique. Cependant, le choix d'un hydrure optimum particulier dépend non seulement de son poids et de son volume, mais également de la relation entre ses caractéristiques physiques et thermiques. Les propriétés physiques les plus importantes d'un hydrure métallique pour un système léger, de petit volume extérieur, présentant une capacité de stockage volumétrique élevée sont sa pression de dissociation en fonction de la température et sa pression en Among the metal hydrides mentioned above, magnesium hydride (MgH2) and vanadium hydride (VH2) are advantageous from the point of view of minimum weight and volumetric storage capacity. However, the choice of a particular optimum hydride depends not only on its weight and volume, but also on the relationship between its physical and thermal characteristics. The most important physical properties of a metal hydride for a light system, of small external volume, with a high volumetric storage capacity are its dissociation pressure as a function of temperature and its pressure in
fonction de l'isotherme de composition. Cette dernière pro- function of the composition isotherm. This last pro-
priété détermine la vitesse de dissociation de l'hydrogène priety determines the rate of dissociation of hydrogen
en fonction de la température.depending on the temperature.
La caractéristique souhaitable de la pression en -8- fonction de la temperature de l'hydrure doit être telle que The desirable characteristic of the pressure as a function of the hydride temperature must be such that
les pressions soient très faibles aux températures de stoc- pressures are very low at storage temperatures
kage, et seulement modérées à sa température de dissociation de l'hydrogène. Comme le gonflage d'un ballon n'implique qu'une seule réaction de dissociation, au lieu d'une opéra- tion cyclique comme cela est le cas des autres applications connues faisant appel à des hydrures, il est souhaitable sur kage, and only moderate at its dissociation temperature of hydrogen. As the inflation of a balloon involves only one dissociation reaction, instead of a cyclic operation as is the case with other known applications using hydrides, it is desirable to
le plan de la sécurité d'utiliser un hydrure ayant une tem- the safety plan of using a hydride having a tem-
pérature de dissociation relativement élevée. relatively high dissociation temperature.
L'hydrure de magnésium est l'hydrure recommandé car il présente l'avantage d'un poids minimum, de pressions très faibles aux températures de stockage, et seulement de pression modérées, (d'environ 0,2 MPa, par exemple) à des Magnesium hydride is the recommended hydride because it has the advantage of a minimum weight, very low pressures at storage temperatures, and only moderate pressure, (about 0.2 MPa, for example) at of
températures de l'ordre de 350 C, auxquelles la décomposi- temperatures of the order of 350 C, at which the decomposition
tion est assez rapide. A des altitudes d'environ 21.000 mètres, une pression de 0,2 MPa est suffisamment élevée pour tion is quite fast. At altitudes of about 21,000 meters, a pressure of 0.2 MPa is high enough to
donner un bon débit gazeux dans le ballon. L'hydrure de ma- give a good gas flow in the balloon. Hydride of ma-
gnésium doit également être préféré à l'hydrure de vanadium, car ce dernier se décompose rapidement à une température plutôt basse, ce qui pourrait être à l'origine de problèmes gnesium should also be preferred over vanadium hydride, as the latter decomposes quickly at a rather low temperature, which could cause problems
de sécurité.of security.
L'utilisation d'hydrure de magnésium pour consti- The use of magnesium hydride for consti-
tuer la matrice 16 d'hydrure métallique du générateur d'hydrogène 10 permet d'obtenir un système de stockage de l'hydrogène ayant un volume de seulement 40% de celui d'un killing the metal hydride matrix 16 of the hydrogen generator 10 makes it possible to obtain a hydrogen storage system having a volume of only 40% of that of a
gaz comprimé stocké à une pression de 50 MPa, et de seule- compressed gas stored at a pressure of 50 MPa, and only
ment environ 70% de celui d'hydrogène stocké à l'état liqui- about 70% of that of hydrogen stored in liquid state
de. Aux températures ambiantes normales de stockage, l'hydrure de magnésium ne libère aucun hydrogène. Même à des of. At normal ambient storage temperatures, magnesium hydride does not release any hydrogen. Even at
températures beaucoup plus élevées, par exemple dans un in- much higher temperatures, for example in an in-
cendie, sa pression de génération de l'hydrogène est assez faible (de l'ordre de 0,2 MPa à 350 C). Par conséquent, il permet d'éviter les problèmes inhérents de sécurité qui sont fire, its hydrogen generation pressure is quite low (around 0.2 MPa at 350 C). Therefore, it avoids the inherent security issues that are
associés au stockage des gaz comprimés et autorise l'utili- associated with the storage of compressed gases and authorizes the use
sation d'un récipient assez léger, tel qu'un réservoir en -9- acier inoxydable ayant une paroi de 0,8 min. De plus, l'hydrure de magnésium a une durée de vie de stockage assez longue, de l'ordre de plusieurs années. Comme on l'a indiqué précédemment, la matrice d'hydrure 16 est de préférence un corps unitaire solide ayant un pourcentage prédéterminé de sation of a fairly light container, such as a stainless steel tank having a wall of 0.8 min. In addition, magnesium hydride has a fairly long storage life, of the order of several years. As indicated above, the hydride matrix 16 is preferably a solid unitary body having a predetermined percentage of
vides et de canaux de manière à maîtriser la vitesse de li- voids and channels so as to control the speed of li-
bération de l'hydrogène dissocié. On peut former la matrice beration of dissociated hydrogen. We can form the matrix
en soumettant de manière répétée une sphère solide de magné- by repeatedly submitting a solid sphere of magnesium
sium à la chaleur et à de l'hydrogène gazeux jusqu'à ce sium to heat and hydrogen gas until
qu'il y ait transformation du magnésium en hydrure de magné- that magnesium is transformed into magnesium hydride
sium et obtention du volume désiré des vides. De préférence, sium and obtaining the desired volume of voids. Preferably,
le volume des vides est de l'ordre de 20-25%. Cette cons- the void volume is around 20-25%. This cons-
truction permet un meilleur contrôle de la caractéristique de dégagement d'hydrogène de la matrice d'hydrure que dans truction allows better control of the hydrogen release characteristic of the hydride matrix than in
le cas o la matrice est, par exemple, granulaire. De préfé- the case where the matrix is, for example, granular. Preferably
rence, l'hydrure de magnésium est catalysé par l'addition magnesium hydride is catalyzed by the addition
d'environ 5-10% en poids de nickel.about 5-10% by weight of nickel.
De manière à dissocier rapidement l'hydrogène stocké dans la matrice d'hydrure de magnésium, il doit y In order to rapidly dissociate the hydrogen stored in the magnesium hydride matrix, there must be
avoir application de chaleur extérieure pour porter la tem- apply external heat to bring the time
pérature de l'hydrure à sa température de décomposition, à savoir environ 340 C. Par 450 g d'hydrogène libéré par la matrice, il faut fournir à celle-ci une chaleur extérieure de l'ordre de 37200 kJ/kg d'hydrogène produit (environ 2580 kJ/kg de MgH2). La source de chaleur permettant de fournir hydride temperature at its decomposition temperature, namely approximately 340 C. Per 450 g of hydrogen released by the matrix, it is necessary to provide the latter with an external heat of the order of 37,200 kJ / kg of hydrogen product (approximately 2580 kJ / kg MgH2). The heat source to provide
cette chaleur extérieure a de préférence un poids et un vo- this external heat preferably has a weight and a vo-
lume minimaux, ce qui nécessite une source ayant une énergie thermique spécifique élevée, et pouvant être mise en oeuvre d'une manière fiable. Une source chimique de chaleur mise en minimum light, which requires a source having a high specific thermal energy, and which can be implemented in a reliable manner. A chemical source of heat
oeuvre électriquement, comprenant des composés intermétalli- work electrically, comprising intermetallic compounds
ques ou autres réactifs chimiques du type thermite peut être utilisée à cet effet. Par exemple, la réaction du beryllium et du Mg(ClO)2 libère 15600 kJ/kg et plus de 37 x 106 ques or other chemical reagents of the thermite type can be used for this purpose. For example, the reaction of beryllium and Mg (ClO) 2 releases 15600 kJ / kg and more than 37 x 106
-kJ par mètre cubique. Le pourcentage en volume de ces réac- -kJ per cubic meter. The volume percentage of these reactions
tifs par rapport au volume total du récipient ne serait que tifs in relation to the total volume of the container would only be
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de l'ordre de 13%. Un autre avantage de l'utilisation des composés intermétalliques comme source de chaleur est qu'ils ne produisent pas de gaz lorsqu'ils réagissent, lesquels devraient être évacués et pourraient provoquer des agents de contamination fâcheux. Comme on l'a indiqué précédemment, selon les réactifs particuliers utilisés, il peut s'avérer nécessaire de gainer les réactifs de la source de chaleur, par exemple en les disposant dans un tube en céramique, de manière à les isoler de l'hydrogène libéré par la matrice d'hydrure. Le tableau 2 suivant donne les caractéristiques de certains composés intermétalliques pouvant être utilisés around 13%. Another advantage of using intermetallic compounds as a heat source is that they do not produce gases when they react, which should be evacuated and could cause unwelcome contaminants. As indicated above, depending on the particular reagents used, it may be necessary to sheath the reagents from the heat source, for example by placing them in a ceramic tube, so as to isolate them from the hydrogen. released by the hydride matrix. Table 2 below gives the characteristics of certain intermetallic compounds which can be used
pour constituer de la source de chaleur. to constitute a heat source.
TABLEAU 2TABLE 2
CARACTERISTIQUES DES REACTIFS INTERMETALLIQUES CHARACTERISTICS OF INTERMETALLIC REAGENTS
*Chaleur Chaleur Température Température Corps expéri- volumétrid'allumage moyenne de en mentale de que de dans l'air réaction réaction réaction réaction C C kJ/kg 106kJ/m3 Li, B 4780 5,9 200 2500 Ti, B2 5120 12,5 550 3000 Ti, C 3000 8,5 600 2050 Be, C2 7310 15,5 1200 2740 * gaz inerte ** Théorique Le diborure de titane, par exemple, constitue un * Heat Heat Temperature Temperature Expansion body average ignition temperature in that of in air reaction reaction reaction reaction CC kJ / kg 106kJ / m3 Li, B 4780 5.9 200 2500 Ti, B2 5120 12.5 550 3000 Ti, C 3000 8.5 600 2050 Be, C2 7310 15.5 1200 2740 * inert gas ** Theoretical Titanium diboride, for example, constitutes a
bon choix comme une source de chaleur. Il présente une cha- good choice as a heat source. It presents a cha-
leur de réaction relativement élevée et une température d'allumage relativement haute, supérieure à 540 C dans l'air, valeur souhaitable pour éviter un allumage prématuré their relatively high reaction temperature and a relatively high ignition temperature, above 540 C in air, desirable value to avoid premature ignition
dans un environnement chaud, tel qu'un feu, mais il est ca- in a hot environment, such as a fire, but it is
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pable d'amorcer l'allumage en une fraction de seconde en able to start ignition in a fraction of a second
utilisant le filament d'une lampe chauffée électriquement. using the filament of an electrically heated lamp.
Le poids et le volume d'une source de chaleur en diborure de titane en pourcentage du poids et du volume de la matrice d'hydrure de magnésium sont de l'ordre de 36% et 28%, res- pectivement. Le tableau 3 suivant donne les dimensions et le poids d'un générateur en hydrure de magnésium/diborure de The weight and volume of a titanium diboride heat source as a percentage of the weight and volume of the magnesium hydride matrix are of the order of 36% and 28%, respectively. Table 3 below gives the dimensions and the weight of a magnesium hydride / diboride generator.
titane capable de produire 4,5 kg d'hydrogène. titanium capable of producing 4.5 kg of hydrogen.
TABLEAU 3TABLE 3
DIMENSIONS ET POIDS DU GENERATEUR POUR PRODUIRE DIMENSIONS AND WEIGHT OF THE GENERATOR TO PRODUCE
4,5 KG D'HYDROGENE.4.5 KG OF HYDROGEN.
Poids MgH2 59,4 kg Diborure de titane et revêtement 33,7 kg Enceinte 4,5 kg Pile d'amorçage et accessoires divers 3,6 kg Poids total 101,2 kg Dimensions Sphère 45,7 cm de diamètre extérieur L'hydrogène stocké dans la matrice d'hydrure de magnésium peut se libérer rapidement dans le temps désiré, à savoir de l'ordre de 2 à 3 minutes, dans la mesure o la température de la matrice peut être maintenue à une valeur d'environ 350 C. Pour le générateur du tableau 3, la chaleur Weight MgH2 59.4 kg Titanium diboride and coating 33.7 kg Enclosure 4.5 kg Priming battery and various accessories 3.6 kg Total weight 101.2 kg Dimensions Sphere 45.7 cm outside diameter Stored hydrogen in the matrix of magnesium hydride can be released quickly in the desired time, namely of the order of 2 to 3 minutes, insofar as the temperature of the matrix can be maintained at a value of approximately 350 C. For the generator in table 3, the heat
qui doit être transférée à la matrice et le temps de fourni- which must be transferred to the matrix and the time of supply
ture requis sont indiqués dans le tableau 4 suivant: required ture are indicated in the following table 4:
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TABLEAU 4TABLE 4
CHALEUR NECESSAIRE POUR PRODUIRE 4,5 kg d'HYDROGENE Augmentation de 15 C à 350 C de la température du générateur d'hydrogène 35.600 kJ (capacité calorifique estimée = 1 J/kg- C) Energie endothermique pour dissociation 168.800 kJ Energie totale 204.400 kJ Vitesse de transfert de la chaleur (Fourniture de 2 minutes) 6,12.106 kJ/h Comme le montre le tableau 4, pour donner 4,5 kg d'hydrogène, la source de chaleur doit produire une énergie nette de 204.400 kJ, et fournir cette énergie à une cadence de 6, 12.106 kJ/heure. Pour satisfaire ces conditions de fourniture d'énergie, il est souhaitable que les tubes 24 de la source de chaleur soient répartis uniformément dans la matrice d'hydrure. On peut déterminer facilement le nombre de tubes, leur diamètre, et leur espacement pour obtenir la surface de transfert de chaleur permettant de satisfaire la HEAT NECESSARY TO PRODUCE 4.5 kg of HYDROGEN Increase of 15 C to 350 C of the temperature of the hydrogen generator 35.600 kJ (estimated heat capacity = 1 J / kg- C) Endothermic energy for dissociation 168.800 kJ Total energy 204.400 kJ Heat transfer rate (2 minutes supply) 6.12.106 kJ / h As shown in Table 4, to give 4.5 kg of hydrogen, the heat source must produce a net energy of 204.400 kJ, and provide this energy at a rate of 6.12.106 kJ / hour. To satisfy these conditions of energy supply, it is desirable that the tubes 24 of the heat source are distributed uniformly in the hydride matrix. You can easily determine the number of tubes, their diameter, and their spacing to obtain the heat transfer surface to meet the
cadence de fourniture d'énergie.energy supply rate.
- De plus, il est nécessaire d'avoir l'assurance que la surface des canaux de circulation est suffisante pour que l'hydrogène produit soit libéré par le générateur. A cause de la relation logarithmique entre la pression d'un gaz et - In addition, it is necessary to have the assurance that the surface of the circulation channels is sufficient for the hydrogen produced to be released by the generator. Because of the logarithmic relationship between the pressure of a gas and
de la température, l'élévation de la température à l'inté- of temperature, the rise in temperature inside
rieur de la matrice sera faible pour des augmentations im- of the matrix will be low for large increases
portantes de la pression du gaz, et l'effet de l'établisse- gas pressure, and the effect of establishing
ment de la pression sur le transfert de la chaleur sera mi- the pressure on the heat transfer will be
nimal. Pour maintenir une pression maximum de l'hydrogène de l'ordre de 34,5 kPa ou moins, par exemple, on peut maîtriser la vitesse à laquelle l'hydrogène gazeux est dissocié de la matrice en règlant le volume des vides de la matrice par nimal. To maintain a maximum pressure of hydrogen of the order of 34.5 kPa or less, for example, one can control the rate at which hydrogen gas is dissociated from the matrix by adjusting the volume of voids in the matrix by
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rapport aux dimensions de l'ouverture de sortie 14 du réci- relative to the dimensions of the outlet opening 14 of the container
pient. Il est souhaitable que le volume des vides de la ma- pient. It is desirable that the volume of voids in the ma-
trice soient de l'ordre de 20-25%, car à mesure que ce vo- be around 20-25%, because as this
lume augmente, le volume du générateur nécessaire à la four- lume increases, the volume of the generator required to supply
niture du volume requis de gaz croît et la conductibilité thermique de la matrice métallique diminue. Un volume des vides de l'ordre de 20-25% ne réduira pas la conductibilité The required volume of gas increases and the thermal conductivity of the metal matrix decreases. 20-25% void volume will not reduce conductivity
thermique de la matrice d'une valeur appréciable à la tempé- thermal value of the matrix of appreciable value at temperature
rature de dissociation de l'hydrure de magnésium. dissociation of magnesium hydride.
L'utilisation de composés intermétallique comme The use of intermetallic compounds as
source de chaleur pour la matrice d'hydrure est une caracté- heat source for the hydride matrix is a characteristic
ristique particulièrement importante et avantageuse de la particularly important and advantageous
présente invention. Les composés intermétalliques sont iner- present invention. Intermetallic compounds are inert
tes, sûrs et ont une durée de vie de stockage relativement are safe and have a relatively long shelf life
longue. En outre, la disposition des composés intermétalli- long. In addition, the arrangement of intermetallic compounds
ques à l'intérieur de tubes en céramique a pour effet d'iso- that inside ceramic tubes has the effect of
ler les produits de la réaction et d'assurer que l'hydrogène libéré par la matrice d'hydrure est propre et exempt des ler the reaction products and ensure that the hydrogen released by the hydride matrix is clean and free of
agents de contamination qui pourraient endommager la pelli- contamination agents that could damage the film
cule fine dont est constitué le ballon. S'agissant de la sé- fine cule from which the balloon is made. Regarding the se-
curité, il faut simplement avoir l'assurance qu'il ne se curiosity, you just have to be sure that it doesn't
produira pas un allumage prématuré de la source de chaleur. will not produce premature ignition of the heat source.
Par conséquent, le dispositif de mise en marche électrique 32 doit avoir une faible probabilité de faux allumage, ce Consequently, the electric starting device 32 must have a low probability of false ignition, which
qui est assez facile à obtenir avec les techniques classi- which is fairly easy to obtain with conventional techniques
ques. Comme on peut l'apprécier d'après ce qui précède, la présente invention permet d'obtenir un générateur ques. As can be appreciated from the above, the present invention provides a generator
d'hydrogène particulièrement simple et extrêmement avanta- particularly simple and extremely advantageous hydrogen
geux qu'on peut utiliser comme source d'hydrogène pour le which can be used as a source of hydrogen for
gonflage d'un ballon lancé à partir d'une fusée à haute al- inflation of a balloon launched from a high-altitude rocket
titude. Les générateurs d'hydrogène de la présente invention ne souffrent pas des inconvénients des systèmes de stockage de gaz comprimés ou d'hydrogène liquide, sont légers et ont une capacité volumétrique élevée, et peuvent présenter une titude. The hydrogen generators of the present invention do not suffer from the drawbacks of compressed gas or liquid hydrogen storage systems, are light and have a high volumetric capacity, and can have a
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grande cadence de production de l'hydrogène. D'autres appli- high rate of hydrogen production. Other apps
cations du générateur d'hydrogène de la présente invention cations of the hydrogen generator of the present invention
concerne son utilisation dans une source délivrant des poin- relates to its use in a source delivering points
tes élevées de puissance pendant de courtes durées et son emploi en conjonction avec des dispositifs de transformation your high power for short periods and its use in conjunction with transforming devices
de l'énergie tels que les générateurs magnéto-hydrodynami- energy such as magneto-hydrodynamic generators
ques à cycle ouvert, les piles à combustible, et les machi- open cycle, fuel cells, and machinery
nes de conversion dynamique d'énergie fonctionnant suivant nes of dynamic energy conversion operating according to
le cycle Brayton ou le cycle Stirling, par exemple. the Brayton cycle or the Stirling cycle, for example.
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