FR3049773A1 - Systeme de generation de dihydrogene gazeux destine a alimenter une pile a combustible - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système (1) de génération de dihydrogène gazeux destiné à alimenter une pile à combustible et mettant en oeuvre un milieu liquide (ML) comprenant au moins un matériau de stockage de dihydrogène dissous dans un solvant.
Description
Arrière-plan de llnvention L'invention concerne un système de génération de dihydrogène gazeux ainsi qu'un système de génération d'énergie électrique mettant en œuvre un tel système de génération de dihydrogène et une pile à combustible reliée à ce dernier. Llnvention vise également des procédés de génération de dihydrogène gazeux et d'énergie électrique mettant en œuvre ces systèmes.
Dans un aéronef, le carburant fossile (kérosène) est aujourd'hui utilisé pour assurer le déplacement de l'appareil mais aussi pour réaliser des fonctions secondaires (fonctions non liées au déplacement de l'appareil). En particulier, le groupe auxiliaire de puissance («Auxiliary Power Unit ») consiste en un moteur thermique qui utilise du carburant fossile. Le groupe auxiliaire de puissance permet de produire de l'énergie à bord d'un aéronef quand les moteurs principaux sont arrêtés, pour permettre d'alimenter au sol différents systèmes de bord comme la ventilation de la cabine. D'autres fonctions secondaires de l'appareil consomment aujourd'hui aussi du carburant fossile. On peut par exemple à ce titre citer les cuisines de l'aéronef (« galleys » de l'avion) qui permettent le réchauffage des boissons ou des plateaux repas qui sont servis aux passagers. Ces cuisines sont alimentées en électricité à partir du réseau avion qui est lui-même alimenté par les moteurs de l'avion par l'intermédiaire d'un organe de transmission de puissance.
Il serait souhaitable d'adopter une approche énergétique différente afin d'assurer les fonctions secondaires de l'aéronef. Cela permettrait avantageusement de limiter la consommation de kérosène au strict déplacement de l'appareil. Il serait en outre souhaitable que le système de génération d'énergie choisi demeure relativement simple et compact.
Il existe donc un besoin pour disposer de systèmes utiles pour générer de l'énergie permettant de réduire la consommation globale de carburant fossile et qui soient relativement simples et compacts.
Objet et résumé de rinvention A cet elÎet, l'invention propose, selon un premier aspect, un système de génération de dihydrogène gazeux destiné à alimenter une pile à combustible, ledit système comprenant au moins : - un réservoir compartimenté présentant un premier compartiment comprenant un miiieu liquide lequel comprend au moins un matériau de stockage de dihydrogène dissous dans un solvant, le réservoir présentant en outre un deuxième compartiment séparé du premier compartiment, - un dispositif de chauffage comprenant une enceinte de chauffage présentant une entrée en communication fluidique avec une sortie du premier compartiment et une sortie en communication fluidique avec une entrée du deuxième compartiment, le dispositif de chauffage comprenant en outre un organe de chauffage configuré pour chauffer l'enceinte de chauffage et destiné à permettre ainsi la libération du dihydrogène gazeux à partir dudit matériau, - un condenseur en communication fluidique avec l'enceinte de chauffage, le condenseur présentant une sortie destinée à alimenter une pile à combustible avec le dihydrogène gazeux libéré, et - un dispositif de circulation configuré pour transporter le milieu liquide depuis le premier compartiment vers l'enceinte de chauffage et pour transporter le solvant depuis l'enceinte de chauffage vers le deuxième compartiment.
Le matériau de stockage de dihydrogène est configuré pour libérer du dihydrogène gazeux par chauffage. Le matériau de stockage de dihydrogène peut par exemple être choisi parmi : le borazane (BH3NH3) ou UAIH4. Lors de la génération de dihydrogène, le milieu liquide est transporté depuis le premier compartiment vers l'enceinte de chauffage afin de libérer le dihydrogène gazeux puis le solvant recircule depuis l'enceinte de chauffage vers le deuxième compartiment. Dans un exemple de réalisation, le milieu liquide est sous la forme d'une solution liquide comprenant le solvant liquide dans lequel est dissous le matériau de stockage de dihydrogène. En variante, le milieu liquide peut être sous la forme d'une suspension et comprendre (i) une première phase liquide comprenant le solvant et le matériau de stockage de dihydrogène dissous dans le solvant, et (ii) une deuxième phase de particules solides du matériau de stockage de dihydrogène dispersée dans la première phase.
La présente invention propose un système de génération de dihydrogène destiné à alimenter une pile à combustible afin de produire de l'électricité en consommant une quantité de carburant fossile réduite par rapport aux dispositifs existants. Le fait d'utiliser un matériau de stockage de dihydrogène dissous dans un solvant permet d'assurer son transport dans le système d'une manière plus simple que lorsque ce matériau est utilisé sous forme solide. Par ailleurs, le fait de stocker le matériau « sain » (i.e. avant libération du dihydrogène gazeux par chauffage) et le solvant « usagé » (i.e. obtenu après libération du dihydrogène gazeux) dans deux compartiments séparés du même réservoir permet avantageusement de limiter l'encombrement du système. Enfin, lorsque le matériau de stockage de dihydrogène est chauffé afin de libérer le dihydrogène gazeux une partie au moins du solvant est elle aussi évaporée. La présence du condenseur permet de récupérer cette fraction du solvant évaporé et de séparer le dihydrogène gazeux généré du solvant, ce qui améliore l'efficacité du système.
De préférence, le dispositif de circulation peut comprendre un échangeur de chaleur comportant au moins un premier canal d'échange thermique en communication fluidique avec la sortie du premier compartiment et avec l'entrée de l'enceinte de chauffage, l'échangeur de chaleur comportant en outre un deuxième canal d'échange thermique, différent du premier canal, en communication fluidique avec la sortie du condenseur.
De préférence, le dispositif de circulation peut comprendre un échangeur de chaleur comportant au moins un premier canal d'échange thermique en communication fluidique avec la sortie du premier compartiment et avec l'entrée de l'enceinte de chauffage, l'échangeur de chaleur comportant en outre un troisième canal d'échange thermique, différent du premier canal, en communication fluidique avec la sortie de l'enceinte de chauffage et avec l'entrée du deuxième compartiment.
De tels modes de réalisation sont avantageux car ils permettent de préchauffer le milieu liquide avant son arrivée dans l'enceinte de chauffage en réutilisant une partie de la chaleur précédemment fournie par l'organe de chauffage. Cela permet ainsi de minimiser la consommation d'énergie du système. En outre, le fait que le solvant liquide usagé circulant vers le deuxième compartiment fournisse de la chaleur au milieu liquide sortant du premier compartiment permet de diminuer la température dudit solvant liquide avant son arrivée dans le deuxième compartiment. Cette diminution de température du solvant usagé permet avantageusement d'éviter tout risque d'initiation intempestive du matériau sain encore présent dans le premier compartiment par le solvant usagé stocké dans le deuxième compartiment, améliorant ainsi encore l'efficacité du système.
Lorsque le dispositif de circulation comprend un échangeur de chaleur, ce dernier est configuré pour chauffer le milieu liquide, lors de son transport depuis le premier compartiment vers l'enceinte de chauffage, par le dihydrogène gazeux libéré et^ou par le solvant liquide transporté depuis l'enceinte de chauffage vers le deuxième compartiment. Il est particulièrement avantageux que l'échangeur de chaleur, lorsqu'il est présent, permette de chauffer le milieu liquide à la fois par le dihydrogène gazeux libéré et par le solvant liquide transporté vers le deuxième compartiment afin d'améliorer l'efficacité du système. Auquel cas, l'échangeur de chaleur comprend les premier, deuxième et troisième canaux d'échange thermique décrits ci-dessus.
De préférence, le premier compartiment et le deuxième compartiment peuvent être séparés par une paroi mobile configurée pour se déplacer lors de la circulation du milieu liquide afin de réduire le volume du premier compartiment et augmenter ainsi le volume du deuxième compartiment.
Un tel mode de réalisation permet avantageusement d'optimiser la quantité de dihydrogène pouvant être produite par le système pour un volume donné du réservoir. En effet avant d'initier la génération de dihydrogène, le premier compartiment représente sensiblement l'intégralité du volume du réservoir. Au fur et à mesure de la génération de dihydrogène et de la consommation du matériau, le volume du deuxième compartiment augmente simultanément à la diminution du volume du premier compartiment afin de disposer à chaque instant d'un volume de deuxième compartiment suffisant pour stocker le solvant « usagé » tout en optimisant l'encombrement du système.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de circulation peut comprendre au moins une pompe ou un piston.
La présente invention vise également un système de génération d'énergie électrique comprenant au moins : - un système de génération de dihydrogène gazeux tel que décrit plus haut, et - une pile à combustible destinée à générer de l'énergie électrique comprenant une anode en communication fluidique avec la sortie du condenseur et une cathode en communication fluidique avec une source de dioxygène gazeux.
La présente invention vise également un véhicule, comme un aéronef, comprenant un système de génération d'énergie électrique tel que décrit plus haut.
La présente invention vise également un procédé de génération de dihydrogène gazeux mettant en œuvre un système tel que décrit plus haut, le procédé comprenant au moins : - le transport du milieu liquide du premier compartiment vers l'enceinte de chauffage, - le chauffage du milieu liquide dans l'enceinte de chauffage par l'organe de chauffage afin de générer une phase gazeuse comprenant du dihydrogène gazeux libéré à partir dudit matériau et du solvant évaporé suite au chauffage, - la condensation du solvant évaporé par le condenseur, et - le transport du solvant après libération du dihydrogène gazeux depuis l'enceinte de chauffage vers le deuxième compartiment.
De préférence, le milieu liquide et le solvant peuvent circuler de manière continue dans le dispositif de circulation.
La présente invention vise encore un procédé de génération d'énergie électrique mettant en œuvre un système tel que décrit plus haut, le procédé comprenant au moins : - la génération de dihydrogène gazeux par mise en œuvre d'un procédé tel que décrit plus haut, et - la génération d'énergie électrique par la pile à combustible par alimentation de cette dernière par le dihydrogène gazeux ainsi généré et par du dioxygène gazeux.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de llnvention ressortiront de ia description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente de manière schématique un mode de réalisation d'un système de génération de dihydrogène gazeux selon llnventlon, - la figure 2 représente de manière schématique l'évolution du système de la figure 1 après avancement du procédé de génération de dihydrogène gazeux, et - la figure 3 représente un mode de réalisation de système de génération d'énergie électrique selon Hnvention.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 représente un système 1 de génération de dihydrogène gazeux destiné à alimenter l'anode d'une pile à combustible avec le dihydrogène gazeux généré.
Le système 1 comprend un réservoir compartimenté 3 comprend un corps 4. Le corps 4 définit un volume intérieur dans lequel sont présents un premier compartiment 5 et un deuxième compartiment 7. Le deuxième compartiment 7 est séparé du premier compartiment 5 par une paroi 9. Cette paroi 9 est formée d'un matériau imperméable, c'est-à-dire d'un matériau configuré pour empêcher un échange fluidique entre le premier compartiment 5 et le deuxième compartiment 7. Le premier compartiment 5 comprend un milieu liquide ML comprenant au moins une solution liquide laquelle comprend un matériau de stockage de dihydrogène dissous dans un solvant liquide. Comme mentionné plus haut, le matériau de stockage de dihydrogène est configuré pour libérer du dihydrogène gazeux par chauffage. Le matériau de stockage de dihydrogène peut par exemple être le borazane (BH3NH3) aussi appelé « ammonia borane ». Dans ce cas, le solvant mis en œuvre peut être de l'eau ou être, en variante, un solvant organique tel que l'éthylènediamine ou le formamide. On peut dans un autre mode de réalisation utiliser du UAIH4 comme matériau de stockage de dihydrogène. Auquel cas, le solvant mis en œuvre peut être un solvant organique comme l'éther, par exemple. Comme mentionné plus haut, le milieu liquide ML peut être une solution liquide. Auquel cas, le matériau de stockage de dihydrogène peut avantageusement être présent dans ie miiieu liquide ML à ia concentration de saturation (i.e. à la concentration au-delà de laquelle le matériau de stockage de dihydrogène à i'état soiide ne peut plus se dissoudre dans le solvant). En variante, le milieu liquide ML peut être une suspension et comprendre (i) une première phase liquide comprenant le solvant et le matériau de stockage de dihydrogène dissous dans le solvant, et (ii) une deuxième phase de particuies solides du matériau de stockage de dihydrogène dispersée dans la première phase. Dans ce cas, le matériau de stockage de dihydrogène dissous dans le solvant y est présent à la concentration de saturation afin de former la première phase liquide (le solvant est saturé en matériau de stockage de dihydrogène dissous).
Le milieu liquide ML est stocké dans le premier compartiment 5 à température ambiante (i.e. sensiblement égale à 20°C) et à pression atmosphérique (i.e. sensiblement égale à 1 bar) avant initiation du procédé de génération de dihydrogène gazeux.
Le premier compartiment 5 présente dans l'exemple Illustré une unique sortie 5s. Le premier compartiment 5 est, en particulier, dépourvu d'une entrée permettant au miiieu iiquide ML ayant quitté ce compartiment 5 d'y être réintroduit. Le deuxième compartiment 7 est quant à lui destiné à recevoir le solvant usagé SU après génération du dihydrogène gazeux, comme il va à présent être décrit en détails.
Le système 1 comprend un dispositif de circulation permettant le transport, dans le système 1, du milieu liquide ML et du solvant usagé SU obtenu après génération du dihydrogène gazeux. Le dispositif de circulation comprend un premier canal 6 reliant la sortie 5s du premier compartiment 5 à l'entrée d'une pompe 35. Un deuxième canal 8 du dispositif de circulation relie la sortie de la pompe 35 à l'entrée 13e d'une enceinte de chauffage 13 d'un dispositif de chauffage 11. Lorsqu'elle est actionnée, la pompe 35 est configurée pour transporter le milieu liquide ML depuis le premier compartiment 5 au travers successivement du premier canal 6 et du deuxième canal 8 afin d'introduire ce milieu liquide ML dans un canal 13a de l'enceinte de chauffage 13 au travers de l'entrée 13e de celle-ci. Ainsi, l'entrée 13e de l'enceinte de chauffage 13 est en communication fluidique avec la sortie 5s du premier compartiment 5 par l'intermédiaire des premier 5 et deuxième 8 canaux. On peut par exemple utiliser une pompe 35 de type DMX 75-4 commercialisée par la société Grundfos.
Le dispositif de chauffage 11 est muni d'un organe de chauffage 14 configuré pour chauffer llntérieur de l'enceinte de chauffage 13. L'organe de chauffage 14 peut être un organe de chauffage résistif ou en variante permettre de réaliser un chauffage par induction. L'organe de chauffage 14 peut, comme illustré, être disposé autour de l'enceinte de chauffage 13. L'organe de chauffage 14 peut être situé à l'extérieur de l'enceinte de chauffage 13. Dans l'exemple illustré, l'organe de chauffage 14 comprend une pluralité de spires entourant l'enceinte de chauffage 13. D'autres positionnements relatifs de l'organe de chauffage par rapport à l'enceinte de chauffage sont possibles dans le cadre de la présente invention.
Lorsque le milieu liquide ML traverse l'enceinte de chauffage 13, ce milieu liquide ML est chauffé par l'organe de chauffage 14. Le matériau de stockage de dihydrogène présent dans le milieu liquide ML se transforme, sous l'effet de ce chauffage, afin de générer du dihydrogène gazeux. Plus précisément, iorsque le milieu liquide est une solution liquide le matériau de stockage de dihydrogène dissous produit, sous l'effet de ce chauffage, du dihydrogène gazeux. Lorsque le milieu liquide est une suspension, du dihydrogène gazeux est produit à la fois à partir du matériau de stockage de dihydrogène dissous et du matériau de stockage de dihydrogène à l'état solide. Le chauffage de l'enceinte 13 conduit en outre à évaporer une partie du solvant du milieu liquide ML. La phase gazeuse ainsi formée suite au chauffage comprend à la fols du solvant évaporé et du dihydrogène gazeux. A titre indicatif, le milieu liquide ML peut être porté, dans l'enceinte de chauffage 13, à une température supérieure ou égale à 80®C, par exemple supérieure ou égale à 100°C.
Le système 1 est muni d'un condenseur 20 qui est en communication fluidique avec l'enceinte de chauffage 13. Le canal 13a se divise, dans l'enceinte de chauffage 13, en deux sous-canaux distincts. Le premier sous-canal 13b s'étend dans l'enceinte de chauffage 13 afin d'acheminer le solvant liquide jusqu'à la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13. Le deuxième sous-canal 13c s'étend, quant à lui, de manière transversale par rapport au premier sous-canal 13b et relie l'enceinte de chauffage 13 à l'entrée 20e du condenseur 20. Ainsi, l'entrée 20e du condenseur 20 est en communication fluidique avec l'enceinte de chauffage 13 par nntermédiaire du deuxième sous-canal 13c. La phase gazeuse générée dans l'enceinte de chauffage 13 comprenant ie mélange de dihydrogène gazeux et de solvant évaporé s'écoule dans le deuxième sous-canal 13c jusqu'à l'entrée 20e du condenseur 20. Le condenseur 20 présente un canal 22 prolongeant le deuxième sous-canai 13c dans lequei ia phase gazeuse générée s'écouie. Le condenseur 20 constitue un réfrigérant au voisinage duquel un fluide de refroidissement FR circule. Le fluide de refroidissement FR peut par exempie être de l'eau. La phase gazeuse est refroidie lors de la traversée du canal 22 du condenseur 20 par le fluide de refroidissement FR. Ce refroidissement permet de condenser le solvant évaporé et de le récupérer sous forme liquide dans l'enceinte de chauffage 13. Le condenseur 20 peut comme illustré comprendre des ailettes 24 permettant d'augmenter la surface d'échange thermique entre le fluide de refroidissement FR et la phase gazeuse. En revanche, le dihydrogène reste à l'état gazeux lors de la traversée du condenseur 20. La condensation du solvant réalisée dans ie condenseur 20 permet, d'une part, de récupérer la fraction du solvant évaporé et, d'autre part, de purifier le dihydrogène gazeux généré avant son acheminement dans la pile à combustible en le séparant du solvant évaporé. Le canal 22 du condenseur 20 relie l'entrée 20e du condenseur 20, située du côté de l'enceinte de chauffage 13, à une sortie 20s du condenseur 20. Il est possible, comme illustré, de placer un filtre 30 au niveau de la sortie 20s du condenseur 20 afin de filtrer d'éventuelles impuretés (ammoniac NH3 ou diborane B2H6 par exemple) présentes dans le dihydrogène gazeux généré.
Le dispositif de circulation comprend un troisième canal 25 reliant la sortie 20s du condenseur 20 à i'anode 42 d'une pile à combustible 40 (représentée à la figure 3). Le troisième canal 25 permet de transporter le dihydrogène gazeux généré depuis la sortie 20s du condenseur 20 vers l'anode 42 de la pile à combustible 40 afin d'alimenter cette dernière.
Le circuit du solvant liquide usagé depuis l'enceinte de chauffage 13 va à présent être décrit. En paralièle de la génération de dihydrogène gazeux par chauffage, le solvant liquide usagé SU s'écouie dans le premier sous-canal 13b jusqu'à la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13. Le dispositif de circulation comprend un quatrième canal 10 qui relie la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13 à l'entrée 7e du deuxième compartiment 7. Ainsi, la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13 est en communication fluidique avec l'entrée 7e du deuxième compartiment 7 par l'intermédiaire du quatrième canal 10. Après génération du dihydrogène gazeux, le solvant liquide usagé SU est transporté depuis la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13 vers le deuxième compartiment 7 par le quatrième canal 10. Le solvant liquide usagé SU est ainsi stocké dans le deuxième compartiment 7 au fur et à mesure de l'avancement de la génération de dihydrogène. La pompe 35 peut être configurée pour permettre, à elle seule, le transport du milieu liquide ML depuis le premier compartiment 5 vers l'enceinte de chauffage 13 et du solvant usagé SU depuis l'enceinte de chauffage 13 vers le deuxième compartiment 7. Ainsi, le système peut avantageusement comprendre une unique pompe 35 par exemple disposée entre le premier compartiment 5 et l'enceinte de chauffage 13, comme illustré. Un tel système 1 comprenant une unique pompe est avantageux dans la mesure où il présente une structure relativement simple utilisant un nombre d'éléments réduit. On peut, dans une variante non illustrée, placer, sur le quatrième canal entre la sortie de l'enceinte de chauffage et l'entrée du deuxième compartiment, une pompe additionnelle permettant de pomper le solvant usagé vers le deuxième compartiment. Dans une variante non illustrée, il est aussi possible que la paroi 9 soit mobile et joue un rôle de piston permettant d'injecter le milieu liquide dans l'enceinte de chauffage, afin par exemple de s'affranchir de la présence de la pompe 35.
Dans l'exemple de système 1 illustré aux figures 1 et 2, le dispositif de circulation comprend ainsi le premier canal 6, la pompe 35, le deuxième canal 8, le troisième canal 25 et le quatrième canal 10. Ainsi, le dispositif de circulation permet de transporter le milieu liquide ML depuis le premier compartiment 5 vers l'enceinte de chauffage 13 et permet de faire retourner le solvant usagé SU dans le réservoir 3 afin d'être stocké dans le deuxième compartiment 7. La présence conjointe du dispositif de circulation et du condenseur 20 permet au solvant liquide de circuler en boucle fermée dans le système 1. En d'autres termes, ce solvant passe successivement du premier compartiment 5 du réservoir 3 dans l'enceinte de chauffage 13, éventuellement ensuite dans le condenseur 20 pour la fraction du solvant évaporé, puis retourne dans le réservoir 3 au sein du deuxième compartiment 7. Le dispositif de circuiation permet en outre d'acheminer le dihydrogène gazeux généré par l'intermédiaire du troisième canal 25 vers i'anode de ia pile à combustible.
Un mode préférentiel de réalisation de Hnvention va à présent être détaillé toujours en lien avec le système 1 illustré aux figures 1 et 2.
Comme illustré aux figures 1 et 2, le dispositif de circulation est muni d'un échangeur de chaleur 36. La présence de cet échangeur de chaleur 36 est préférentielle afin d'optimiser ia consommation énergétique du système 1, comme il va être détaillé plus bas. Dans une variante non illustrée, le système peut toutefois être dépourvu d'un tel échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur 36 est en communication fluidique avec la sortie 5s du premier compartiment 5 et avec l'entrée 13e de l'enceinte de chauffage 13. L'échangeur de chaleur 36 est disposé entre la sortie 5s du premier compartiment 5 et l'entrée 13e de l'enceinte de chauffage 13. L'échangeur de chaleur 36 est présent sur le deuxième canal 8. Le deuxième canal 8 traverse l'échangeur de chaleur 36. Le deuxième canal 8 comprend un tronçon 8a constituant un premier canal 8a d'échange thermique de l'échangeur de chaleur 36. L'échangeur de chaleur 36 est en communication fluidique avec la sortie 5s du premier compartiment 5 et avec l'entrée 13e de l'enceinte de chauffage 13 par l'intermédiaire des premier 6 et deuxième 8 canaux. Le milieu liquide ML sortant du premier compartiment 5 traverse le premier canal 8a d'échange thermique afin d'être préchauffé avant son arrivée dans le dispositif de chauffage 11. Le flux de milieu liquide ML à préchauffer circulant dans le système 1 est représenté par la flèche FIF. L'échangeur de chaleur 36 est, en outre, en communication fluidique avec la sortie 20s du condenseur 20. L'échangeur de chaleur 36 est, par ailleurs, en communication fluidique avec la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13 et avec l'entrée 7e du deuxième compartiment 7. Le troisième canal 25 et le quatrième canal 10 traversent chacun l'échangeur de chaleur 36. L'échangeur de chaleur 36 est muni d'un deuxième canal 25a d'échange thermique correspondant à un tronçon du troisième canal 25 et d'un troisième canal 10a d'échange thermique correspondant à un tronçon du quatrième canal 10. L'échangeur de chaleur 36 est en communication fluidique avec la sortie 20s du condenseur par Hntermédiaire du troisième canal 25. L'échangeur de chaleur 36 est en outre en communication fluidique avec la sortie 13s de l'enceinte de chauffage 13 et avec l'entrée 7e du deuxième compartiment 7 par l'intermédiaire du quatrième canal 10.
Le deuxième canal 25a d'échange thermique est distinct du premier canal 8a d'échange thermique. Le dihydrogène gazeux sortant du condenseur 20, et destiné à rejoindre l'anode de la pile à combustible, traverse le deuxième canal 25a d'échange thermique. La température du dihydrogène gazeux en sortie du condenseur 20 est supérieure à la température du milieu liquide ML sortant du premier compartiment 5. A titre indicatif, la température du dihydrogène gazeux en sortie du condenseur 20 peut être supérieure ou égale à 60®C. Le flux du dihydrogène gazeux chaud sortant du condenseur 20 est représenté par la flèche F2C. Un échange thermique se produit dans l'échangeur de chaleur 36 dans lequel le dihydrogène gazeux chaud sortant du condenseur 20 et s'écoulant dans le deuxième canal d'échange thermique 25a réchauffe le milieu liquide ML s'écoulant dans le premier canal 8a d'échange thermique. Cet échange thermique participe à préchauffer le milieu liquide ML avant son arrivée dans le dispositif de chauffage 11. Après cet échange thermique, le dihydrogène gazeux refroidi est transporté au travers du troisième canal 25 vers l'anode de la pile à combustible. Le flux dihydrogène gazeux refroidi sortant de l'échangeur de chaleur 36 et destiné à alimenter la pile à combustible est représenté par la flèche F2F aux figures 1 et 2.
Le troisième canal 10a d'échange thermique est distinct du premier canal 8a d'échange thermique et du deuxième canal 25a d'échange thermique. Le solvant usagé sortant de l'enceinte de chauffage 13, et destiné à rejoindre le deuxième compartiment 7, traverse le troisième canal lOa d'échange thermique. La température du solvant usagé en sortie de l'enceinte de chauffage 13 est supérieure à la température du milieu liquide ML sortant du premier compartiment 5. A titre indicatif, la température du solvant usagé en sortie de l'enceinte de chauffage 13 peut être supérieure ou égale à 80°C. Le flux de solvant usagé chaud sortant de l'enceinte de chauffage 13 est représenté par la flèche F3C. De la même manière, le réchauffement du solvant suite à sa traversée de l'enceinte de chauffage 13 est aussi mis à profit afin de préchauffer le milieu liquide ML dans l'échangeur de chaleur 36. En effet, un échange thermique se produit dans l'échangeur de chaleur 36 dans lequel le solvant usagé chaud sortant de l'enceinte de chauffage 13 et s'écoulant dans le troisième canal lOa d'échange thermique réchauffe le milieu liquide ML s'écoulant dans le premier canal 8a d'échange thermique. Cet échange thermique participe à préchauffer le milieu liquide ML avant son arrivée dans le dispositif de chauffage 11. Ainsi, le solvant usagé chaud transporté, après libération du dihydrogène gazeux, vers le deuxième compartiment 7 participe au préchauffage du milieu liquide ML dans l'échangeur de chaleur 36. Après cet échange thermique, le solvant usagé refroidi SU sortant de l'échangeur de chaleur 36 est transporté au travers du quatrième canal 10 pour être stocké dans le deuxième compartiment 7 du réservoir 3. Le flux de solvant usagé SU refroidi sortant de l'échangeur de chaleur 36 et destiné à être stocké dans le deuxième compartiment 7 est matérialisé par la flèche F3F aux figures 1 et 2.
Grâce à la présence de l'échangeur de chaleur 36, le milieu liquide ML est préchauffé avant son arrivée dans le dispositif de chauffage 11. Après traversée de l'échangeur de chaleur 36, le milieu liquide préchauffé s'écoule dans le deuxième canal 8 jusqu'au dispositif de chauffage 11. Le flux du milieu liquide préchauffé est matérialisé par la flèche Fie aux figures 1 et 2. L'échangeur de chaleur 36 permet avantageusement de réutiliser une partie de la quantité d'énergie fournie par le dispositif de chauffage 11 afin de préchauffer le milieu liquide. Cela permet ainsi d'optimiser la quantité d'énergie globale consommée par le système 1. Un autre avantage de l'échangeur de chaleur 36 est qu'il permet du fait de la présence du troisième canal d'échange thermique 10a de refroidir le solvant usagé avant son arrivée dans le deuxième compartiment 7 et ainsi d'éviter tout risque d'initier, de manière intempestive, le matériau de stockage de dihydrogène présent dans le premier compartiment 5.
Aux figures 1 et 2, les tronçons de canaux représentés en traits fins correspondent à des tronçons dans lesquels le fluide circulant est froid (milieu liquide ML avant préchauffage par l'échangeur de chaleur 36, flux de dihydrogène et de solvant usagé refroidis F2F et F3F). De manière analogue, les tronçons de canaux représentés en traits gras correspondent à des tronçons dans lesquels le fluide circulant est chaud (milieu liquide après préchauffage, enceinte de chauffage et condenseur et flux de dihydrogène et de solvant usagé chauds F2C et FSC).
Dans l'exemple illustré, l'échangeur de chaleur 36 comprend trois canaux d'échange thermique distincts. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque l'échangeur de chaleur ne comporte que deux canaux d'échange thermique distincts, à savoir : le premier canal 8a d'échange thermique et l'un ou l'autre des deuxième 25a et troisième 10a canaux d'échange thermique.
Avantageusement, la circulation du milieu iiquide ML vers l'enceinte de chauffage 11 et du solvant usagé retournant dans le réservoir 3 peut se faire de manière continue (i.e. sans que cette circulation soit interrompue). En d'autres termes, dans ce cas, le milieu liquide ML est transporté depuis le premier compartiment 5 vers l'enceinte de chauffage 13 puis il traverse l'enceinte de chauffage 13 dans laquelle le dihydrogène gazeux est généré puis le solvant usagé ressort de l'enceinte de chauffage 13 pour être transporté jusqu'au deuxième compartiment 7 et ce sans interrompre l'écoulement fluidique dans le système 1.
La figure 2 représente l'évolution du système 1 lors de l'avancement de la génération de dihydrogène gazeux. Le volume du premier compartiment 5 dans l'état illustré à la figure 2 est inférieur au volume du premier compartiment 5 dans l'état illustré à la figure 1. En revanche, le volume du deuxième compartiment 7 dans l'état Illustré à la figure 2 est supérieur au volume du deuxième compartiment 7 dans l'état illustré à la figure 1. Comme illustré à la figure 2, la paroi 9 est une paroi mobile et se déplace le long de la direction D au fur et à mesure de l'avancement du procédé de génération du dihydrogène gazeux. Le déplacement de la paroi 9 permet de réduire progressivement le volume du premier compartiment 5 et, en parallèle, d'augmenter le volume du deuxième compartiment 7. Dans l'exemple illustré, la paroi 9 mobile est configurée pour se déplacer le long de l'axe longitudinal du réservoir 3. A chaque instant dans le système 1, la somme des volumes des premier 5 et deuxième 7 compartiments est constante et égale au volume interne défini par le corps 4 du réservoir 3. La présence de la paroi mobile 9 permet d'optimiser l'encombrement du système 1 dans ia mesure où la réduction de volume du premier compartiment 5 liée à ia sortie d'une partie du miiieu iiquide ML est utiiisée pour constituer un voiume disponible dans le deuxième compartiment 7 afin de stocker ie solvant liquide usagé SU. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention si les premier et deuxième compartiments sont séparés par une paroi immobile.
On a représenté à la figure 3 de manière schématique un exemple de système de génération d'énergie électrique 10 selon l'invention qui comprend un système 1 de génération de dihydrogène gazeux tel que décrit plus haut. La sortie du condenseur 20 de ce système 1 est en communication fluidique avec l'anode 42 d'une pile à combustible 40 de manière à alimenter cette dernière par le dihydrogène gazeux généré (flux F2F). La pile à combustible 40 présente en outre une cathode 44 en communication fluidique avec une source de dioxygène gazeux 46. Le dioxygène gazeux est destiné à circuler dans le canal 48 reliant la source 46 à la cathode 44 afin d'alimenter cette dernière (flux F4). La source de dioxygène 46 peut par exemple être un dispositif de stockage de dioxygène sous pression, par exemple sous la forme d'une bouteille de dioxygène sous pression. En variante, la source de dioxygène peut comporter un compresseur configuré pour prélever l'air ambiant et pour le comprimer ainsi que des moyens de filtration de l'azote présent dans l'air comprimé afin de n'acheminer à la cathode de la pile que le dioxygène. La pile à combustible 40 est destinée à produire de l'énergie électrique pour alimenter un élément 50 monté dans un aéronef, par exemple. L'élément 50 peut permettre de réaliser une fonction secondaire de l'aéronef. L'élément 50 peut par exemple faire partie du système de ventilation de l'aéronef ou d'une cuisine présente à bord de ce dernier. La cathode 44 est reliée à une première borne de l'élément 50 et l'anode 42 est reliée à une deuxième borne de l'élément 50 différente de la première. De manière connue en soi, la pile à combustible 40 comprend en outre un circuit de refroidissement 45 permettant de refroidir la pile 40 lors de son fonctionnement.
Claims (10)
- REVENPICATTON?;1. Système (1) de génération de dihydrogène gazeux destiné à alimenter une pile à combustible (40), ledit système comprenant au moins : - un réservoir (3) compartimenté présentant un premier compartiment (5) comprenant un milieu liquide (ML) lequel comprend au moins un matériau de stockage de dihydrogène dissous dans un solvant, le réservoir (3) présentant en outre un deuxième compartiment (7) séparé du premier compartiment (5), - un dispositif de chauffage (11) comprenant une enceinte de chauffage (13) présentant une entrée (13e) en communication fluidique avec une sortie (5s) du premier compartiment (5) et une sortie (13s) en communication fluidique avec une entrée (7e) du deuxième compartiment (7), le dispositif de chauffage (11) comprenant en outre un organe de chauffage (14) configuré pour chauffer l'enceinte de chauffage (13) et destiné à permettre ainsi la libération du dihydrogène gazeux à partir dudit matériau, - un condenseur (20) en communication fluidique avec l'enceinte de chauffage (13), le condenseur (20) présentant une sortie (20s) destinée à alimenter une pile à combustible (40) avec le dihydrogène gazeux libéré, et - un dispositif de circulation (6 ; 35 ; 8 ; 10) configuré pour transporter le milieu liquide (ML) depuis le premier compartiment (5) vers l'enceinte de chauf^ge (13) et pour transporter le solvant depuis l'enceinte de chauffage (13) vers le deuxième compartiment (7).
- 2. Système (1) selon la revendication 1, le dispositif de circulation comprenant un édiangeur de chaleur (36) comportant au moins un premier canal (8a) d'échange thermique en communication fluidique avec la sortie (5s) du premier compartiment (5) et avec l'entrée (13e) de l'enceinte de chauffage (13), l'échangeur de chaleur (36) comportant en outre un deuxième canal (25a) d'échange thermique, différent du premier canal, en communication fluidique avec la sortie (20s) du condenseur.
- 3. Système (1) selon la revendication 1 ou 2, le dispositif de circulation comprenant un échangeur de chaleur (36) comportant au moins un premier canal (8a) d'échange thermique en communication fluidique avec la sortie (5s) du premier compartiment (5) et avec l'entrée (13e) de l'enceinte de chauffage (13), l'échangeur de chaleur (36) comportant en outre un troisième canal (10a) d'échange thermique, différent du premier canal, en communication fluidique avec la sortie (13s) de l'enceinte de chauffage (13) et avec l'entrée (7e) du deuxième compartiment (7).
- 4. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le premier compartiment (5) et le deuxième compartiment (7) étant séparés par une paroi mobile (9) configurée pour se déplacer lors de la circulation du milieu liquide (ML) afin de réduire le volume du premier compartiment (5) et augmenter ainsi le volume du deuxième compartiment (7).
- 5. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le dispositif de circulation comprenant au moins une pompe (35) ou un piston.
- 6. Système de génération d'énergie électrique (10) comprenant au moins : - un système de génération de dihydrogène gazeux (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et - une pile à combustible (40) destinée à générer de l'énergie électrique comprenant une anode (42) en communication fluidique avec la sortie du condenseur (20) et une cathode (44) en communication fluidique avec une source (46) de dioxygène gazeux.
- 7. Aéronef comprenant un système de génération d'énergie électrique (10) selon la revendication 6.
- 8. Procédé de génération de dihydrogène gazeux mettant en œuvre un système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé comprenant au moins : - le transport du milieu liquide (ML) du premier compartiment (5) vers l'enceinte de chauffage (13), - le chauffage du milieu liquide (ML) dans l'enceinte de chauffôge (13) par l'organe de chauffage (14) afin de générer une phase gazeuse comprenant du dihydrogène gazeux libéré à partir dudit matériau et du solvant évaporé suite au chauffage, - la condensation du solvant évaporé par le condenseur (20), et - le transport du solvant après libération du dihydrogène gazeux depuis l'enceinte de chauffage (13) vers le deuxième compartiment (7).
- 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le milieu liquide et le solvant circulent de manière continue dans le dispositif de circulation.
- 10. Procédé de génération d'énergie électrique mettant en oeuvre un système (10) selon la revendication 6, le procédé comprenant au moins : - la génération de dihydrogène gazeux par mise en œuvre d'un procédé selon la revendication 8 ou 9, et - la génération d'énergie électrique par la pile à combustible (40) par alimentation de cette dernière par le dihydrogène gazeux ainsi généré et par du dioxygène gazeux.
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