FR3081207A1 - Reservoir d’hydrogene pour vehicule automobile a propulsion electrique par pile a combustible - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur un réservoir (1) d'hydrogène comportant au moins deux compartiments (2) de forme sphérique et reliés entre eux par au moins un passage (3a) de forme cylindrique. Le réservoir (1) d'hydrogène peut comporter quatre compartiments (2) et peut présenter une configuration en forme de trèfle à quatre feuilles. Dans une forme de réalisation, lesdits au moins deux compartiments (2) de forme sphérique sont reliés entre eux par au moins un réseau de canaux capillaires (3a) de section circulaire, un diamètre du plus petit compartiment (2) desdits au moins deux compartiments (2) étant supérieur de 10 à 20 fois au diamètre le plus grand des canaux capillaires (3a).

Description

[0001] La présente invention concerne un réservoir d’hydrogène pur un véhicule automobile à propulsion électrique, le réservoir servant à une alimentation en hydrogène d’une pile à combustible embarquée dans le véhicule automobile.
[0002] La nécessité de lutter contre la pollution impose aux constructeurs de matériels fonctionnant aux énergies dites fossiles à trouver d’autres sources d’énergie comme l’électricité par exemple. Ceci est le cas particulièrement pour les constructeurs automobiles.
[0003] La problématique de l’électricité est son stockage. Bien qu’ayant fait d’importants progrès, de nos jours, il est encore difficile de la stocker. Le défi aujourd’hui s’oriente alors sur le stockage de l’électricité ou d’un moyen dit « propre >> pour en produire localement.
[0004] Dans le domaine de l’automobile, la difficulté d’aujourd’hui est de transporter la source d’énergie avec un véhicule automobile ainsi que le moyen de la transformer en puissance mécanique pour mouvoir le véhicule automobile.
[0005] L’hydrogène, de formule chimique H2, principal carburant des étoiles comme le soleil est l’élément le plus abondant dans l’univers sous des formes solide, liquide ou gazeuse, et qui sous une très forte pression et à très basse température peut prendre une forme métallique. Sur terre, l’hydrogène n’existe pas à l’état libre. Il est surtout présent dans l’eau. Lorsque l’hydrogène brûle, il rejette de l’eau.
[0006] L’hydrogène à une masse volumique de 0,09 kg par m3. Son point d’ébullition se trouve à -253°C sachant que le point d’ébullition cte l’air se trouve à -196°C et l’eau à 100°C mais surtout ce qui intéressant est que l’hyctogène à un pouvoir calorifique de 141.000 Kj/Kg alors que l’essence n’a seulement qu’un pouvoir de 48.000 KJ/kg. L’hydrogène est donc un carburant à fort pouvoir calorifique.
[0007] Le potentiel de l’hydrogène dans la combustion est connu depuis plus de deux siècles. Mais n’étant pas disponible à l’état libre, il faut le produire. Il existe quatre moyens pour cela : le reformage d’un gaz, l’électrolyse de l’eau, les réactions thermochimiques et la conversion biologique. Aujourd’hui, 98% de la production d’hydrogène s’effectue dans le monde par reformage de gaz naturel, de formule chimique CH4 ou par gazéification d’hydrocarbures, cette production pouvant parfois être elle-même source de pollution.
[0008] La production par électrolyse, quant à elle, ne rejette que de l’hydrogène et de l’eau. Cette production consomme plus d’énergie qu’elle ne produit. La production exige 180.000 KJ/Kg soit environ 50 KWh/Kg soit bien plus que ne peut en offrir l’hydrogène elle-même soit 141.000 Kj/Kg.
[0009] De surcroît, son pouvoir calorifique par unité de volume en phase gazeuse est décevant car sa densité est très faible. Sous 165 bars de pression, l’hydrogène fournit 1.500 KJ/litre alors que le gaz naturel dégage 6.300 KJ par litre. Il en va de même à son état liquide, l’hydrogène n’offre que 10.000 KJ par litre comparé à l’essence qui offre 36.000 KJ/litre.
[0010] Pour finir, la combustion de l’hydrogène dans l’air, si elle ne produit pas de C02, produit des oxydes d’azote.
[0011] L’une des solutions est de non plus utiliser l’hydrogène comme un carburant mais de convertir l’énergie chimique de l’hydrogène en électricité dans ce qui est appelé une pile à combustible.
[0012] Le principe d’une pile à combustible consiste en un moyen capable de produire de l’eau à partir d’oxygène et d’hydrogène et qui de cette fusion on obtient également de la chaleur et de l’électricité selon l’équation suivante :
2H 2 + O 2 2H2O + électricité + chaleur [0013] Dans son principe, la pile à combustible ne rejette que de l'eau. Elle n'est donc pas polluante si on ne regarde pas la production de l’hydrogène bien sûr. Aussi, son rendement est très avantageux. Si le rendement initial d'une pile à combustible peut atteindre 87 %, celui du système complet tombe entre 30 % et 40 %. Malgré tout, le rendement est encore bien supérieur à celui d'un moteur thermique classique, qui oscille entre 20 % et 30 %.
[0014] Certains constructeurs automobiles développent des associations batterie électrique et pile à combustible. Il a été évalué une quantité d’hydrogène contenue dans un réservoir estimée à 4kg ce qui correspond à une autonomie de 380 km en cycle WLTC, qui est un des cycles d’émission normalisés et 188 km à 130km/h. Avec 6kg de quantité d’hydrogène embarquée, l’autonomie en cycle WLTC est de 500 km et pour une quantité d’hydrogène de 12,9 kg de 500 km à 130 km/h.
[0015] En faisant croître le volume en hauteur dans un réservoir par exemple de 50 mm environ, cela permet d’atteindre une masse d’hydrogène de 5,5 kg environ, ce qui permet d’évaluer une autonomie de 460 km en cycle WLTC et 230 km à 130 km/h.
[0016] En général de tels réservoirs sont plats par exemple long de 2.200 mm, large de 740 mm et haut de 190 mm. Une telle forme n’est pas avantageuse pour résister à la pression dans le réservoir d’hydrogène qui peut dépasser 500 bars et est avantageusement de 700 bars.
[0017] Le problème à la base de la présente invention est de concevoir une nouvelle forme de réservoir d’hydrogène sous pression qui puisse contenir le plus d’hydrogène possible en résistant à la pression interne du réservoir.
[0018] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un réservoir d’hydrogène, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux compartiments de forme sphérique et reliés entre eux par au moins un passage de forme cylindrique.
[0019] L’idée à la base de la présente invention est donc de ne plus contenir l’hydrogène dans des bouteilles cylindriques qui, comme il a été expliqué précédemment, sont moins résistantes qu’un réservoir sphérique et imposent alors d’épaissir leur paroi et présentent ainsi le désavantage de stocker moins d’hydrogène. Il est donc proposé de réaliser des réservoirs à partir de sphères c’est-à-dire de créer un réseau de sphères contenant de l’hydrogène.
[0020] La présente invention propose un autre type d’architecture, complètement en rupture, qui exploite au moins un passage cylindrique reliant deux compartiments de forme sphérique.
[0021] Avantageusement, le réservoir comprend quatre compartiments et présente une configuration en forme de trèfle à quatre feuilles.
[0022] Avantageusement, les quatre compartiments délimitent entre eux un espace médian recevant soit un compartiment auxiliaire de forme sphérique de plus petit diamètre que le plus petit des quatre compartiments quand les compartiments sont de taille différente ou que des quatre compartiments quand les compartiments sont égaux, le compartiment auxiliaire communicant avec tous les quatre compartiments ou soit un plot de renfort s’étendant dans une hauteur du réservoir d’hydrogène.
[0023] Avantageusement, lesdits au moins deux compartiments de forme sphérique sont reliés entre eux par au moins un réseau de canaux capillaires de section circulaire, un diamètre du plus petit compartiment desdits au moins deux compartiments étant supérieur de 10 à 20 fois au diamètre le plus grand des canaux capillaires. Il n’est pas désavantageux de prévoir des canaux capillaires de petit diamètre par rapport aux compartiments.
[0024] L’idée ici est de démultiplier les communications entre sphères, ce qui permet de concentrer non plus la pression sur une longueur linéaire mais dans un circuit plus refermé, un réservoir pouvant être placé en lieu et place d’un réservoir de moteur à allumage par compression, notamment un moteur Diesel ou fonctionnant au gazole ou un moteur thermique à allumage commandé, notamment un moteur à carburant essence ou à mélange contenant de l’essence.
[0025] Avantageusement, d’une part, lesdits deux compartiments présentent le même diamètre et, d’autre part, les canaux capillaires sont de même diamètre.
[0026] Avantageusement, ledit au moins un réseau de canaux capillaires est agencé en arc de cercle avec un canal circulaire portant une portion médiane longitudinale des canaux capillaires répartis tout autour du canal circulaire.
[0027] Avantageusement, chaque canal circulaire porte de 15 à 30 canaux capillaires.
[0028] Avantageusement, lesdits au moins deux compartiments forment une structure unitaire définissant un contour extérieur du réservoir. Le réservoir est ainsi d’un seul tenant, ce qui renforce son étanchéité et sa solidité.
[0029] Avantageusement, le réservoir est sous pression de plus de 500 bars.
[0030] L’invention concerne aussi un véhicule automobile à propulsion électrique par pile à combustible, caractérisé en ce qu’il comprend un tel réservoir d’hydrogène pour une alimentation d’une pile à combustible.
[0031] D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
- les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques respectivement d’une vue en perspective et en coupe d’un réservoir d’hydrogène sous forme de trèfle à quatre feuilles selon une première forme de réalisation selon la présente invention,
- les figures 3 et 4 sont des représentations schématiques respectivement de vues en perspective avec pour la figure 4 la partie supérieure d’une enveloppe du réservoir ôtée d’un réservoir d’hydrogène sous forme de deux compartiments sphériques reliés par des canaux capillaires selon une deuxième de réalisation selon la présente invention,
- la figure 5 est une représentation schématique d’une vue en perspective d’un contour négatif d’un intérieur d’un réservoir d’hydrogène conforme à la figure 4, l’enveloppe délimitant le contour du réservoir d’hydrogène ayant été ôtée à cette figure 5,
- la figure 6 est une représentation schématique d’une vue en perspective en demi-coupe d’un réservoir d’hydrogène conforme à la figure 4 montrant uniquement l’intérieur de l’enveloppe et les passages des canaux capillaires, les passages ayant été espacées les uns des autres pour être plus visibles.
[0032] Il est à garder à l’esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité.
[0033] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. La figure 5 montre un volume négatif se trouvant à l’intérieur du réservoir d’hydrogène [0034] En se référant aux figures 1 à 6, la présente invention concerne un réservoir 1 d’hydrogène comportant au moins deux compartiments 2 de forme sphérique et reliés entre eux par au moins un passage 3, 3a de forme cylindrique.
[0035] Aux figures 1 et 2, le passage 3a est représenté par un grand canal cylindrique tandis qu’aux figures 3 à 6, ledit au moins un passage 3a est multiple et sous forme de plusieurs canaux capillaires 3a. Un seul canal capillaire 3a est référencé par groupe de canaux capillaires différent mais ce qui est énoncé pour ce canal capillaire 3a vaut pour tous les canaux capillaires.
[0036] Aux figures, notamment aux figures 1 et 2, le réservoir 1 peut comprendre quatre compartiments 2 et présenter une configuration en forme de trèfle à quatre feuilles.
[0037] Comme montré la figure 2, les quatre compartiments 2 peuvent délimiter entre eux un espace médian recevant un plot 5a de renfort s’étendant dans une hauteur du réservoir 1 d’hydrogène.
[0038] Comme montré aux figures 4 et 5, les quatre compartiments 2 peuvent délimiter entre eux un espace médian recevant un compartiment auxiliaire 5 de forme sphérique de plus petit diamètre que le plus petit des quatre compartiments 2 quand les compartiments sont de taille différente ou que des quatre compartiments 2 quand les compartiments sont égaux, ce qui est le cas aux figures 1 à 6. Dans ce cas, le compartiment auxiliaire 5 peut communiquer avec tous les quatre compartiments 2.
[0039] Comme montré aux figures 3 à 6, les deux compartiments 2 ou plus de forme sphérique peuvent être reliés entre eux par au moins un réseau de canaux capillaires 3a de section circulaire, les canaux capillaires 3a illustrant ledit au moins un passage cylindrique précédemment mentionné. Un diamètre du plus petit compartiment 2 des deux compartiments 2 ou plus peut être supérieur de 10 à 20 fois au diamètre le plus grand des canaux capillaires 3a.
[0040] Comme toujours reconnaissable aux figures 3 à 6, les deux compartiments 2 ou plus peuvent présenter le même diamètre. Les canaux capillaires 3a peuvent aussi présenter un même diamètre.
[0041] En se référant plus particulièrement aux figures 4 et 5, le réseau de canaux capillaires 3a, dans le cas d’un réservoir 1 à deux compartiments 2 sous forme de sphères ou chaque réseau de canaux capillaires 3a peut être agencé en arc de cercle avec un canal circulaire 6 portant une portion médiane longitudinale des canaux capillaires 3a répartis tout autour du canal circulaire 6.
[0042] Un réseau de canaux capillaires 3a peut comprendre de 15 à 30 canaux capillaires 3a que chaque canal circulaire 6 peut porter en les entourant.
[0043] Comme il est visible notamment à la figure 4, les deux compartiments 2 ou plus forment une structure unitaire d’un seul tenant définissant un contour extérieur 7 du réservoir.
[0044] L’invention concerne aussi un véhicule automobile à propulsion électrique par pile à combustible avec un réservoir 1 d’hydrogène précédemment décrit alimentant une pile à combustible en hydrogène.
[0045] Un tel réservoir 1 est à conformer pour pouvoir résister à une pression interne de plus de 500 bars, avantageusement 700 bars.
[0046] S’il est défini un réservoir 1 en tant qu’un assemblage de deux compartiments 2 sous forme respective d’une sphère et d’un cylindre en tant que canal de passage 3 entre les deux sphères 2, il convient de déterminer, en relation avec ces deux types de géométrie, les caractéristiques qui font la résistance du réservoir 1 pour une pression donnée qui va être fixée à 700 bars soit 70 MPa.
[0047] Le passage cylindrique 3 creux peut présenter une épaisseur bien moins importante par rapport au rayon d’un compartiment 2. Soit e l’épaisseur, ri le rayon interne du passage 3 cylindrique et P une pression interne dans le réservoir 1 et donc dans le passage 3 cylindrique, une contrainte apaSs dans le passage 3 cylindrique s’exprimera selon l’équation suivante :
Gpass = P.ri/e [0048] On peut noter que la contrainte maximale dans un tube, dans le cas présent le passage 3 cylindrique creux, est un rapport direct entre le rayon et son épaisseur.
[0049] En prenant une sphère creuse d’une épaisseur E bien moins importante par rapport à ses rayons interne Ri et externe ainsi qu’une pression interne P dans le réservoir 1 et donc dans la sphère, une contrainte asphère dans la sphère s’exprimera selon l’équation suivante :
Dsphère = P RÏ/2.E [0050] Bien que non surprenant, c’est le passage 3 cylindrique creux qui constitue la partie fragile du réservoir 1. Pour une même contrainte, moins le rayon du passage 3 cylindrique sera grand, moins le réservoir 1 sera épais. Cette expression correspond aux résultats obtenus pour les enveloppes minces fréquemment utilisées en chaudronnerie.
[0051] Si on admet qu’un acier ou un matériau composite puisse résister à une contrainte d’extension ou de compression à plus de 1.000 Mpa et qu’on prenne une sécurité de 3 fois sachant que la sécurité réside davantage dans la gestion de l’élimination spontanée qui, sans résistance, génère non pas une explosion mais un front de flamme de longueur limité, alors il est possible d’évaluer une contrainte pour un passage 3 cylindrique Gpass et pour une sphère asphère selon les équations respectives suivantes :
Gpass = P.ri/e
Osphere = P RÏ/2.E.
[0052] Dans le cas d’un véhicule automobile dont une hauteur disponible sous plancher est d’environ 200 mm alors il est obtenu:
GPass= 330 = 70. (100-e)/e ce qui donne pour le passage 3 cylindrique une épaisseur de 18 mm et
Osphere = 330 = = 70. (100 - E)/ 2E ce qui donne pour la sphère une épaisseur de 9 mm.
[0053] Pour un diamètre hors tout de 200 mm, plus l’épaisseur des parois sera faible, plus on pourra stocker de l’hydrogène. Le rayon relativement petit du passage 3 cylindrique permet de conserver une faible épaisseur pour le passage 3 cylindrique.
[0054] Par exemple pour un diamètre de 10 mm intérieur, avec la relation :
GPass= 330 = 70.(100-e)/e une épaisseur e d’un canal capillaire peut être de 1 mm.
[0055] Avec une telle épaisseur, les canaux capillaires 3a peuvent être démultipliés jusqu’à saturation de matière, ce qui permet de créer une structure extrêmement résistante.
[0056] A la figure 6, les canaux capillaires 3a ont été volontairement éloignés les uns des autres en réduisant leur nombre pour bien visualiser les passages du gaz hydrogène. Il est visible que le contour extérieur 7 des compartiments 2 délimite le réservoir d’hydrogène.
[0057] L’invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n’ont été donnés qu’à titre d’exemples.

Claims (10)

1. Réservoir (1) d’hydrogène, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux compartiments (2) de forme sphérique et reliés entre eux par au moins un passage (3, 3a) de forme cylindrique.
2. Réservoir (1) d’hydrogène selon la revendication précédente, lequel comprend quatre compartiments (2) et présente une configuration en forme de trèfle à quatre feuilles.
3. Réservoir (1) d’hydrogène selon la revendication précédente, dans lequel les quatre compartiments (2) délimitent entre eux un espace médian recevant soit un compartiment auxiliaire (5) de forme sphérique de plus petit diamètre que le plus petit des quatre compartiments (2) quand les compartiments sont de taille différente ou que des quatre compartiments (2) quand les compartiments sont égaux, le compartiment auxiliaire (5) communicant avec tous les quatre compartiments (2) ou soit un plot (5a) de renfort s’étendant dans une hauteur du réservoir (1) d’hydrogène.
4. Réservoir (1) d’hydrogène selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel lesdits au moins deux compartiments (2) de forme sphérique sont reliés entre eux par au moins un réseau de canaux capillaires (3a) de section circulaire, un diamètre du plus petit compartiment (2) desdits au moins deux compartiments (2) étant supérieur de 10 à 20 fois au diamètre le plus grand des canaux capillaires (3a).
5. Réservoir (1) selon la revendication précédente, dans lequel, d’une part, lesdits deux compartiments (2) présentent le même diamètre et, d’autre part, les canaux capillaires (3a) sont de même diamètre.
6. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel ledit au moins un réseau de canaux capillaires (3a) est agencé en arc de cercle avec un canal (6) circulaire portant une portion médiane longitudinale des canaux capillaires (3a) répartis tout autour du canal circulaire (6).
7. Réservoir (1) selon la revendication précédente, dans lequel chaque canal circulaire (6) porte de 15 à 30 canaux capillaires (3a).
8. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel lesdits au moins deux compartiments (2) forment une structure unitaire définissant un contour extérieur (7) du réservoir (1).
9. Réservoir (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, lequel est sous 5 pression de plus de 500 bars.
10. Véhicule automobile à propulsion électrique par pile à combustible, caractérisé en ce qu’il comprend un réservoir (1) d’hydrogène selon l’une quelconque des revendications précédentes pour une alimentation d’une pile à combustible.
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