FR2853961A1 - Pyrotechnic hydrogen generating cartridge has gas produced by parallel elongated cords in holder of inert material connected to igniter - Google Patents
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Abstract
Description
Cartouche de génération d'hydrogène pyrotechnique et procédé dePyrotechnic hydrogen generation cartridge and method of
gestion de la charge d'un accumulateur d'un appareil portable Domaine technique de l'invention L'invention concerne une cartouche de génération d'hydrogène pyrotechnique, destinée à alimenter une pile à combustible d'un appareil électronique portable, comportant au moins un corps solide de stockage d'hydrogène constitué par un 10 matériau pyrotechnique libérant de l'hydrogène gazeux par combustion provoquée par des moyens de mise à feu. BACKGROUND OF THE INVENTION The invention relates to a pyrotechnic hydrogen generation cartridge, intended to feed a fuel cell of a portable electronic device, comprising at least one solid hydrogen storage body consisting of a pyrotechnic material releasing hydrogen gas by combustion caused by firing means.
État de la technique L'alimentation en hydrogène d'une pile à combustible d'un appareil électronique portable peut être assuré par une cartouche 1 de génération d'hydrogène pyrotechnique (figure 1). Le document WO 02/090871 décrit une cartouche 1 comportant des corps solides 2 de stockage d'hydrogène, constitués par un 20 matériau actif pyrotechnique libérant de l'hydrogène gazeux par combustion provoquée par des moyens de mise à feu 3 initiés par un système de gestion. STATE OF THE ART The hydrogen supply of a fuel cell of a portable electronic device can be provided by a pyrotechnic hydrogen generation cartridge 1 (FIG. 1). WO 02/090871 discloses a cartridge 1 comprising solid hydrogen storage bodies 2 consisting of a pyrotechnic active material releasing hydrogen gas by combustion caused by firing means 3 initiated by a combustion system. management.
L'hydrogène est généré par une réaction d'oxydoréduction entre un produit réducteur porteur d'hydrogène et un produit à caractère oxydant. Le premier 25 composé est choisi parmi les produits riches en hydrogène. A cet égard, les borohydrures sont particulièrement intéressants. L'oxydant et son taux d'incorporation dans le mélange sont définis de façon à avoir un mélange globalement réducteur. Dans ces conditions, les éléments oxydants réagissent préférentiellement avec les éléments porteurs d'hydrogène. Il s'ensuit un dégagement d'hydrogène. Hydrogen is generated by a redox reaction between a reducing product carrying hydrogen and an oxidizing product. The first compound is selected from hydrogen-rich products. In this respect, borohydrides are particularly interesting. The oxidant and its rate of incorporation into the mixture are defined so as to have a generally reducing mixture. Under these conditions, the oxidizing elements preferentially react with the hydrogen-carrying elements. It follows a release of hydrogen.
Chaque corps solide 2 conduit à la libération d'une certaine quantité 5 d'hydrogène, dont la pression varie en fonction du volume disponible pour le stockage intermédiaire du gaz avant sa consommation par la pile à combustible et la vitesse de cette consommation. De plus, les transitions entre les combustions successives des corps conduisent à une production d'hydrogène discontinue. Ce dispositif ne permet donc pas d'approvisionner la pile à 10 combustible de manière continue et stable. Each solid body 2 leads to the release of a certain quantity of hydrogen, the pressure of which varies according to the volume available for intermediate storage of the gas before its consumption by the fuel cell and the speed of this consumption. Moreover, the transitions between the successive combustions of the bodies lead to discontinuous hydrogen production. This device therefore does not make it possible to supply the fuel cell continuously and stably.
Une réduction de la taille des corps 2 implique plusieurs inconvénients une détérioration du rapport entre le matériau actif et la matière inactive de support des corps solides, - une multiplication des discontinuités de production d'hydrogène, - une complication du système de gestion des initiations successives, - une augmentation de la surface exposée à la surface de la cartouche, susceptible d'être dégradée par un éventuel contact avec l'atmosphère environnante (par exemple une atmosphère humide). A reduction in the size of the body 2 involves several disadvantages a deterioration of the ratio between the active material and the inactive material for supporting solid bodies, - a multiplication of discontinuities in the production of hydrogen, - a complication of the management system of successive initiations an increase in the area exposed on the surface of the cartridge, which may be degraded by possible contact with the surrounding atmosphere (for example a humid atmosphere).
Cependant, une augmentation de la taille des corps 2 présente d'autres inconvénients: - une libération d'une quantité d'hydrogène trop importante à une pression trop élevée, nécessitant des moyens de stockage intermédiaire d'hydrogène 25 (avant consommation dans la pile à combustible) coûteux et volumineux. Ces moyens sont d'autant plus difficiles à mettre en oeuvre que la cartouche doit être amovible. However, an increase in the size of the body 2 has other drawbacks: a release of too much hydrogen at too high a pressure, requiring intermediate hydrogen storage means (before consumption in the stack); fuel) expensive and bulky. These means are all the more difficult to implement that the cartridge must be removable.
- une dégradation des matériaux de la pile à combustible due à une quantité de chaleur d'hydrogène trop élevée. - a degradation of the fuel cell materials due to a too high amount of hydrogen heat.
Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, plus particulièrement, de permettre d'approvisionner une pile à combustible de manière continue et OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to overcome these drawbacks and, more particularly, to make it possible to supply a fuel cell continuously and
stable.stable.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait qu'un corps solide est formé par un 10 cordon allongé, intégré dans un support en matériau inerte, les moyens de mise à feu étant disposés à proximité d'une extrémité du cordon de manière à ce qu'un front de combustion, correspondant à une section du cordon, se propage le long du cordon. According to the invention, this object is achieved by the fact that a solid body is formed by an elongate bead, integrated in a support of inert material, the firing means being arranged near one end of the bead so that a combustion front, corresponding to a section of the cord, propagates along the cord.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la section du cordon a une surface variable, d'une première valeur à proximité des moyens de mise à feu, à une seconde valeur, inférieure à la première. According to a preferred embodiment, the section of the cord has a variable surface, a first value near the firing means, at a second value, less than the first.
Selon un développement de l'invention, un procédé de gestion de la charge 20 d'un accumulateur d'un appareil électronique portable, comportant une pile à combustible connectée à l'accumulateur et une cartouche d'alimentation de la pile, consiste à - comparer la tension aux bornes de l'accumulateur à un seuil prédéterminé, - provoquer la mise à feu d'un cordon lorsque ladite tension est inférieure au seuil. According to a development of the invention, a method of managing the charge of an accumulator of a portable electronic apparatus, comprising a fuel cell connected to the accumulator and a battery supply cartridge, consists of: comparing the voltage across the accumulator to a predetermined threshold, - causing the firing of a cord when said voltage is below the threshold.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente une cartouche d'hydrogène pyrotechnique selon l'art antérieur. Other advantages and features will emerge more clearly from the following description of particular embodiments of the invention given by way of nonlimiting example and represented in the accompanying drawings, in which: FIG. pyrotechnic hydrogen according to the prior art.
Les figures 2 et 3 illustrent une cartouche d'hydrogène pyrotechnique selon l'invention, respectivement en coupe et en coupe selon l'axe A-A. Figures 2 and 3 illustrate a pyrotechnic hydrogen cartridge according to the invention, respectively in section and in section along the axis A-A.
Les figures 4 à 6 montrent des modes de réalisation particuliers de l'invention. Figures 4 to 6 show particular embodiments of the invention.
La figure 7 représente un procédé selon l'invention. Figure 7 shows a method according to the invention.
Description de modes particuliers de réalisation. Description of particular embodiments.
La cartouche 1 de génération d'hydrogène pyrotechnique, représentée à la figure 2, comporte une pluralité de cordons allongés 4, parallèles, intégrés dans 20 un support 5 en matériau inerte. Des moyens de mise à feu 3 sont disposés à proximité d'une extrémité du cordon allongé 4. Ainsi, après la mise à feu, un front de combustion se propage le long du cordon. Le front de combustion se déplace ainsi sensiblement d'une section du cordon à la section adjacente. La génération d'hydrogène par le matériau pyrotechnique est continue et 25 également régulière, stable et à débit constant dans le temps. L'hydrogène produit peut ainsi être consommé au fur et à mesure de sa production par la pile à combustible. La combustion lente permet en effet à l'énergie thermique d'être évacuée au fur et à mesure, par simple dissipation thermique dans les matériaux environnants la cartouche. The pyrotechnic hydrogen generation cartridge 1, shown in FIG. 2, comprises a plurality of parallel elongated strips 4 integrated in a support 5 of inert material. Firing means 3 are arranged near an end of the elongate bead 4. Thus, after firing, a combustion front propagates along the bead. The combustion front thus moves substantially from one section of the cord to the adjacent section. The generation of hydrogen by the pyrotechnic material is continuous and also regular, stable and at constant rate over time. The hydrogen produced can thus be consumed as it is produced by the fuel cell. Slow combustion allows the heat energy to be evacuated as and when, simply by heat dissipation in the surrounding material cartridge.
Afin d'éviter la dégradation des cordons à leur extrémité proche des moyens de mise à feu 3, dégradation éventuelle due à un contact avec l'atmosphère, un film de protection 6 peut couvrir les extrémités des cordons. Ainsi tout contact 5 du matériau actif avec l'atmosphère est évité avant la mise à feu. Des moyens de connexion des moyens de mise à feu 3, représentés sur la figure 2, traversent le film de protection 6. In order to avoid the degradation of the cords at their end near the firing means 3, possible degradation due to contact with the atmosphere, a protective film 6 may cover the ends of the cords. Thus any contact 5 of the active material with the atmosphere is avoided before firing. Connection means of the firing means 3, shown in FIG. 2, pass through the protective film 6.
La section d'un cordon 4 allongé peut être constitué par un quadrilatère, par 10 exemple par un rectangle, représenté à la figure 3, par un parallélogramme, un trapèze ou un carré. The section of an elongated bead 4 can be constituted by a quadrilateral, for example by a rectangle, shown in FIG. 3, by a parallelogram, a trapezium or a square.
Le support peut comporter des canaux dans lesquels sont disposés les cordons allongés. Les figures 2 et 3 illustrent, par exemple, des canaux allongés, chacun 15 ayant une section rectangulaire et étant rempli par le matériau actif du cordon. The support may comprise channels in which the elongated cords are arranged. Figures 2 and 3 illustrate, for example, elongated channels, each having a rectangular section and being filled with the active material of the bead.
Les canaux comportent des sorties disposées du côté de la cartouche qui est orienté vers la pile à combustible. Ceci assure une libération directionnelle du gaz vers la pile à combustible, lors du fonctionnement, et garantit l'étanchéité au gaz du système. Avant la mise à feu d'un cordon, ces sorties sont protégées par 20 le film de protection 6. La section des canaux est, de préférence, rectangulaire ou trapézoïdale afin d'optimiser l'indice constructif de la cartouche, c'est-à-dire le rapport entre la masse active et la masse inerte. De plus, ce type de géométrie facilite le remplissage des canaux avec un matériau pulvérulent sur une grande longueur. The channels have outlets disposed on the side of the cartridge that is oriented toward the fuel cell. This ensures directional release of the gas to the fuel cell during operation, and ensures gas-tightness of the system. Before firing a cord, these outputs are protected by the protective film 6. The channel section is preferably rectangular or trapezoidal in order to optimize the constructive index of the cartridge, that is, ie the ratio between the active mass and the inert mass. In addition, this type of geometry facilitates the filling of the channels with a powder material over a great length.
Comme représenté à la figure 4, les cordons allongés 4 peuvent être en forme de U. Ainsi, la longueur d'un cordon peut être supérieure à la longueur de la cartouche 1. La mise à feu étant effectuée à une seule des extrémités et le front La surface de la section d'un cordon permet de contrôler la pression et la température générées par la combustion. La surface de la section des cordons allongés 4 représentés à la figure 5 est variable, d'une première valeur à 5 proximité des moyens de mise à feu 3, à une seconde valeur, inférieure à la première. Dans le mode de réalisation particulier représenté, la section est variable, décroissante, depuis l'extrémité de mise à feu du cordon jusqu'à une zone intermédiaire proche du milieu du cordon et reste constante par la suite. As shown in FIG. 4, the elongated beads 4 may be U-shaped. Thus, the length of a cord may be longer than the length of the cartridge 1. The firing being carried out at one end only and the front The surface of the section of a bead is used to control the pressure and temperature generated by combustion. The area of the section of the elongated cords 4 shown in FIG. 5 is variable, from a first value near the firing means 3, to a second value, smaller than the first value. In the particular embodiment shown, the section is variable, decreasing, from the firing end of the cord to an intermediate zone near the middle of the bead and remains constant thereafter.
Ainsi, le débit d'hydrogène est plus important dans les premiers instants de la 10 combustion et permet de remplir des volumes morts avec de l'hydrogène et une montée rapide à la pression de fonctionnement. Par exemple, la réaction pyrotechnique peut libérer de l'hydrogène sous une pression de quelques bars et à une température relativement élevée, de quelques centaines de degrés Celsius. Thus, the flow of hydrogen is greater in the first moments of the combustion and allows to fill dead volumes with hydrogen and a rapid rise to the operating pressure. For example, the pyrotechnic reaction can release hydrogen at a pressure of a few bars and at a relatively high temperature of a few hundred degrees Celsius.
Dans un mode de réalisation non-représenté, la cartouche peut être constituée par plusieurs supports superposés afin d'optimiser le remplissage de la cartouche. In an embodiment not shown, the cartridge may be constituted by several superimposed supports to optimize the filling of the cartridge.
Dans un autre mode de réalisation particulier, représenté à la figure 6, le support 5 est cylindrique et chaque cordon est constitué par un secteur circulaire. In another particular embodiment, shown in Figure 6, the support 5 is cylindrical and each bead is constituted by a circular sector.
Les cordons allongés intégrés dans la masse de la cartouche permettent 25 d'améliorer le rapport entre le matériau actif et le matériau inerte par rapport à l'état de la technique connu. Le risque de contact du matériau actif avec l'atmosphère environnante est limité, parce que la majeure partie d'un cordon est protégée par le matériau inerte de la cartouche. The elongated cords integrated in the mass of the cartridge make it possible to improve the ratio between the active material and the inert material compared with the state of the prior art. The risk of contact of the active material with the surrounding atmosphere is limited, because most of a cord is protected by the inert material of the cartridge.
Un exemple concret peut être dimensionné de la manière suivante: Un appareil portable consomme en moyenne 2 W pendant le fonctionnement. A concrete example can be dimensioned as follows: A portable device consumes an average of 2 W during operation.
Compte-tenu du rendement de la pile à combustible, il est nécessaire d'alimenter la pile avec environ 0,2 grammes d'hydrogène gazeux (0,1 mole 5 d'hydrogène) par heure. A pression atmosphérique et température ambiante, cette quantité correspond à 2,24 litres de gaz par heure, soit 0,62 cm3/s. Given the efficiency of the fuel cell, it is necessary to feed the cell with about 0.2 grams of hydrogen gas (0.1 mole of hydrogen) per hour. At atmospheric pressure and ambient temperature, this amount corresponds to 2.24 liters of gas per hour, ie 0.62 cm3 / s.
Le matériau actif peut être un matériau pulvérulent compacté ou disposé à l'aide d'un solvant dans la cartouche. Après retrait de solvant, le matériau a une 10 porosité induite se répercutant dans la combustion et permettant d'évacuer l'hydrogène. La combustion s'effectuant en couches parallèles, la surface de section du cordon multipliée par la vitesse de combustion du matériau donne directement le débit d'hydrogène. La vitesse de combustion étant dépendante des caractéristiques du matériau et croissante avec la pression environnante, la 15 pression doit être maintenue la plus faible possible afin d'allonger la durée de fonctionnement. The active material may be a powdered material compacted or disposed with a solvent in the cartridge. After removal of solvent, the material has induced porosity reverberating in the combustion and permitting the removal of hydrogen. As the combustion takes place in parallel layers, the cross-sectional area of the bead multiplied by the rate of combustion of the material gives the hydrogen flow directly. Since the rate of combustion is dependent on the characteristics of the material and increases with the surrounding pressure, the pressure must be kept as low as possible in order to extend the operating time.
Comme représenté à la figure 7, la pile à combustible 7 peut être connectée à un accumulateur 8, qui alimente l'appareil portable 9. Un système de gestion 10 20 comporte des moyens pour détecter le niveau de décharge de l'accumulateur. As shown in FIG. 7, the fuel cell 7 can be connected to an accumulator 8, which supplies the portable apparatus 9. A management system 10 comprises means for detecting the discharge level of the accumulator.
Ainsi, la gestion de la charge de l'accumulateur consiste à comparer la tension aux bornes de l'accumulateur 8 à un seuil prédéterminé et à provoquer la mise à feu d'un cordon 4 lorsque ladite tension est inférieure au seuil. La combustion totale d'un cordon 4 peut, préférentiellement, correspondre à une recharge 25 complète de l'accumulateur 8. Thus, the management of the charge of the accumulator consists in comparing the voltage across the accumulator 8 to a predetermined threshold and in causing the firing of a cord 4 when said voltage is below the threshold. The total combustion of a cord 4 may, preferably, correspond to a complete recharge of the accumulator 8.
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