FR3100242A1 - Dispositif de génération d’un gaz - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un dispositif de génération d’un gaz par mise en contact d’un liquide avec un catalyseur, le dispositif comprenant une enceinte définissant une première chambre pour contenir le liquide et une deuxième chambre pour contenir le catalyseur. Un clapet est monté mobile à l’intérieur de l’enceinte entre une position fermée dans laquelle la première chambre et la deuxième chambre sont isolées l’une de l’autre et une position ouverte dans laquelle la première chambre et la deuxième chambre sont en communication fluidique. Selon l’invention, le clapet est relié à une membrane élastiquement déformable formant une paroi de l’enceinte. La membrane est accouplée à un actionneur agencé à l’extérieur de l’enceinte pour déformer ladite membrane de manière à déplacer le clapet entre la position fermée et la position ouverte. FIGURE DE L’ABREGE : Fig.1

Description

 Dispositif de génération d’un gaz

La présente invention concerne un dispositif pour générer un gaz, notamment bien que non exclusivement du dihydrogène, par mise en contact d’un liquide avec un catalyseur.

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

Dans un contexte environnemental favorisant la production d’énergie propre, l’hydrogène apparaît comme un vecteur d’énergie prometteur pouvant, par l’intermédiaire d’une pile à combustible, fournir de l’électricité pour diverses applications nomades.

Une méthode bien connue pour produire de l’hydrogène consiste à mettre une solution aqueuse d’hydrure chimique au contact d’un catalyseur pour provoquer une réaction d’hydrolyse de l’hydrure produisant du dihydrogène.

On connaît des dispositifs mettant en œuvre une telle hydrolyse catalysée d’hydrure. Ils comprennent classiquement une enceinte définissant un volume intérieur contenant la solution aqueuse d’hydrure et un compartiment dans lequel est logé le catalyseur. Le compartiment est pourvu d’un couvercle et forme avec ledit couvercle une chambre de catalyse. Le couvercle est monté mobile en translation entre une position fermée dans laquelle la chambre de catalyse est isolée du volume intérieur de l’enceinte et une position ouverte dans laquelle la chambre de catalyse et le volume intérieur sont en communication fluidique, de telle sorte qu’en position ouverte, la solution aqueuse d’hydrure pénètre dans la chambre de catalyse et génère, au contact du catalyseur, de l’hydrogène.

Un vérin permet de commander la position du couvercle et donc de contrôler la réaction d’hydrolyse de l’hydrure contenu dans l’enceinte. Le vérin comprend un corps cylindrique dans lequel se déplace une tige reliée au couvercle. Le corps du vérin est fixé dans un trou ménagé dans une paroi de l’enceinte.

La traversée de la paroi par le vérin nécessite une étanchéité parfaite entre le corps du vérin et ladite paroi de l’enceinte, un défaut d’étanchéité pouvant être dommageable au bon fonctionnement du dispositif mais aussi à sa sécurité.

Pour pallier ce problème d’étanchéité, il a été envisagé de disposer le vérin à l’intérieur de l’enceinte et plus particulièrement à l’intérieur de la chambre de catalyse.

Néanmoins, un tel agencement du vérin complexifierait la maintenance dudit vérin, voire la rendrait impossible. Qui plus est, le vérin serait amené à fonctionner dans un environnement chimique et thermique particulièrement contraignant. En effet, le pH de la solution aqueuse d’hydrure peut être extrême, par exemple via l’ajout d’une base forte pour notamment assurer un fonctionnement aux basses températures), et la chaleur dégagée par la réaction d’hydrolyse peut être exothermique en fonction des constituants, ce qui pourraient occasionner un dysfonctionnement dudit vérin voire sa destruction.

OBJET DE L’INVENTION

L’invention a donc pour objet de proposer un dispositif de génération d’un gaz par mise en contact d’un liquide avec un catalyseur permettant d’obvier au moins en partie aux inconvénients précités.

A cet effet, ledit dispositif comprend une enceinte définissant une première chambre pour contenir le liquide et une deuxième chambre pour contenir le catalyseur. Un clapet (par exemple en forme de couvercle) est monté mobile à l’intérieur de l’enceinte entre une position fermée dans laquelle la première chambre et la deuxième chambre sont isolées l’une de l’autre et une position ouverte dans laquelle la première chambre et la deuxième chambre sont en communication fluidique.

Selon l’invention, le clapet est relié à une paroi déformable de l’enceinte. La paroi est accouplée à un actionneur agencé à l’extérieur de l’enceinte pour déformer ladite paroi de manière à déplacer le clapet entre la position fermée et la position ouverte.

Ainsi, l’accouplement indirect du clapet à l’actionneur permet de s’affranchir de toute gestion d’une étanchéité entre l’actionneur et l’enceinte. Il permet également de faciliter la maintenance du dispositif et en particulier de l’actionneur.

Par ailleurs, l’actionneur n’étant pas en contact avec le liquide, il n’est pas assujetti aux contraintes chimiques et thermiques du milieu de la génération du gaz.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la paroi déformable délimite au moins en partie un fond de l’enceinte.

De manière particulière, la paroi déformable définit sensiblement en totalité le fond de l’enceinte.

Selon une caractéristique particulière, la paroi déformable est en élastomère, de préférence de la famille des butyles ou des nitriles hydrogénés en raison de leurs résistances chimiques et perméabilité élevés.

Selon une autre caractéristique particulière, l’actionneur est un vérin comprenant un corps cylindrique dans lequel est montée mobile une tige entre une position rétractée et une position déployée, une extrémité libre de la tige étant accouplée à la paroi déformable.

Avantageusement, le vérin est un vérin électrique. Un tel vérin permet de connaître et de gérer précisément la position de la tige par rapport au corps cylindrique, et donc de gérer précisément un niveau d’ouverture du clapet. Par ailleurs, un tel vérin permet de limiter la consommation d’énergie nécessaire pour contrôler le niveau d’ouverture du clapet, aucun maintien de courant étant nécessaire pour maintenir en position le vérin.

De manière particulière, l’actionneur est solidaire d’un module de commande fixé de manière amovible à l’enceinte. L’intégration du vérin à un tel module de commande permet de faciliter le recyclage et le réemploi de l’actionneur sur une autre enceinte.

Avantageusement, le module de commande comprend une unité de commande configurée pour commander l’actionneur.

De manière particulière, le liquide est une solution aqueuse de borohydrure de sodium et le catalyseur est à base de Cobalt pour favoriser la génération de dihydrogène. Le dispositif permet alors, par exemple, d’alimenter une pile à combustible en hydrogène.

L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels :

la figure 1 est une vue schématique d’un dispositif de génération d’un gaz selon un premier mode de réalisation de l’invention, dans lequel le clapet est en position fermée ;

la figure 2 est une vue identique à celle de la figure 1 dans laquelle le clapet est en position ouverte ;

la figure 3 est une vue schématique d’une variante du dispositif de génération de gaz illustré à la figure 1.

la figure 4 est une vue schématique d’un dispositif de génération d’un gaz selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

En référence à la figure 1, un dispositif 1 selon un premier mode de réalisation de l’invention est agencé pour produire un gaz G par mise en contact d’un liquide L avec un catalyseur K. Ce dispositif comprend une enceinte 2 s’étendant selon un axe X vertical. L’enceinte 2 comporte une paroi supérieure 2a et une paroi inférieure 2b sensiblement horizontales reliées entre elles par des parois latérales 2c sensiblement verticales.

La paroi supérieure 2a présente un orifice de sortie 3 du gaz G, cet orifice étant destiné à être connecté à un appareil consommateur de gaz G.

La paroi inférieure 2b comporte une ouverture obturée par une membrane 4 élastiquement déformable délimitant, avec ladite paroi inférieure 2b un fond de l’enceinte 2. La membrane 4 est par exemple en élastomère, de préférence de la famille des butyles ou des nitriles hydrogénés.

L’enceinte 2 comprend en outre des cloisons 2d s’étendant depuis le fond de l’enceinte 2, de part et d’autre de la membrane 4.

La paroi supérieure 2a, les parois latérales 2c et les cloisons 2d délimitent une première chambre C1 contenant le liquide L. La membrane 4 et les cloisons 2d forment un récipient délimitant une deuxième chambre C2 dite de catalyse dans laquelle est logé le catalyseur K.

Un clapet 5 est monté mobile en regard de la membrane 4 entre une position fermée dans laquelle la première chambre C1 et la deuxième chambre C2 sont isolées l’une de l’autre (figure 1) et une position ouverte dans laquelle la première chambre C1 et la deuxième chambre C2 sont en communication fluidique (figure 2). Le clapet 5 est pourvu d’un joint d’étanchéité 6 se logeant dans une gorge ménagée à la périphérie dudit clapet 5 de sorte qu’en position fermée, le joint d’étanchéité 6 vient en appui contre une extrémité libre des cloisons 2d de l’enceinte 2 et empêche le liquide L contenu dans la première chambre C1 de pénétrer dans la deuxième chambre C2.

Le clapet 5 est maintenu en position fermée par des ressorts 7 de traction reliés à la paroi inférieure 2b de l’enceinte 2 et à une surface inférieure du clapet 5 pour former un organe de rappel.

Le catalyseur K est ici fixé sur la surface inférieure du clapet 5 et se présente ici sous la forme de tubes creux.

Le clapet 5 est relié à la membrane 4 par l’intermédiaire d’un corps tubulaire 8 s’étendant sensiblement verticalement en saillie du clapet 5 et à une extrémité de laquelle s’étend une plaque 9 agencée pour être en appui contre la membrane 4 lorsque le clapet 5 est en position fermée.

La membrane 4 est accouplée à un vérin 10 électrique agencé à l’extérieur de l’enceinte 2 et s’étendant sensiblement verticalement en regard de la plaque 9 solidaire du clapet 5. Le vérin 10 comprend un corps cylindrique 10a solidaire d’un module de commande 11 fixé de manière amovible à l’enceinte 2, et une tige 10b montée mobile dans le corps cylindrique 10a entre une position déployée dans laquelle la tige 10b exerce un effort de poussée sur la membrane 4 et une position rétractée dans laquelle la tige 10b est sensiblement éloignée de la membrane 4.

Le vérin 10 est relié électriquement à une unité de commande 12 agencée à l’intérieur du module de commande 11 et configurée pour commander une position de la tige 10b par rapport au corps cylindrique 10a dudit vérin 10.

La mise en contact du liquide L avec le catalyseur K va maintenant être détaillée.

Lorsque l’unité de commande 12 reçoit un signal de commande d’ouverture, elle commande le vérin 10 de façon à déplacer la tige 10b de la position rétractée vers la position déployée. La tige 10b exerce alors sur la membrane 4 un effort de poussée tendant à la déformer et à déplacer indirectement le clapet 5 de la position fermée vers la position ouverte, l’effort de poussée étant supérieur aux forces de rappel exercées par les ressorts 7.

Dès lors, la première chambre C1 et la deuxième chambre C2 se trouvent en communication fluidique l’une avec l’autre. Le liquide L contenu dans la première chambre C1 pénètre dans la deuxième chambre C2 et la mise en contact du liquide L avec le catalyseur K engendre la génération du gaz G. Sous l’effet de la poussée d’Archimède, le gaz s’écoule à travers le liquide L et s’évacue par l’orifice de sortie 3 de l’enceinte 2.

A l’inverse, lorsque l’unité de commande 12 reçoit un signal de commande de fermeture, elle commande le vérin 10 de façon à déplacer la tige 10b de la position déployée vers la position rétractée. La membrane 4 tend alors à retrouver sa forme initiale et le clapet 5 est amené, sous l’effet de l’effort de rappel exercé par les ressorts 7, à se déplacer de la position ouverte à la position fermée.

Dès lors, la première chambre C1 et la deuxième chambre C2 se trouvent à nouveau isolées l’une de l’autre. Le liquide L contenu dans la première chambre C1 ne peut ainsi plus pénétrer dans la deuxième chambre C2, de sorte que la génération du gaz G est arrêtée.

Avantageusement, l’orifice de sortie de l’enceinte 2 peut être équipé d’une vanne de régulation de débit pour évacuer le gaz G à une pression constante prédéterminée et/ou d’une vanne de surpression pour permettre une évacuation du gaz G lorsque la pression du gaz G dans l’enceinte 2 est supérieure à une pression prédéterminée.

La commande du vérin 10 par l’unité de commande 12 peut, par exemple, être fonction d’une comparaison entre une pression du gaz G mesurée à l’intérieur de l’enceinte et une pression minimale et/ou maximale prédéterminée. Ainsi, lorsque la pression du gaz G mesurée à l’intérieur de l’enceinte 2 est supérieure à la pression maximale prédéterminée, l’unité de commande 12 commande le vérin 10 de façon à positionner le clapet 5 en position fermée. La génération de gaz G est alors arrêtée. A l’inverse, lorsque la pression du gaz G mesurée à l’intérieur de l’enceinte 2 est inférieure à la pression minimale prédéterminée, l’unité de commande 12 commande le vérin 10 de façon à positionner le clapet en position ouvert et ainsi provoquer un nouveau cycle de génération du gaz G.

Dans le cas où le liquide L contenu dans la première chambre C1 de l’enceinte 2 est une solution aqueuse de borohydrure de sodium (NaBH4) et où le catalyseur logé dans la deuxième chambre C2 est à base, de Cobalt, le dispositif 1 permet une génération de dihydrogène selon la formule suivante : NaBH₄+ 2 H₂O = NaBO₂+ 4 H₂. Le dihydrogène produit peut par exemple servir à alimenter une pile à combustible en connectant celle-ci à l’orifice de sortie 3 de l’enceinte 2.

D’autres liquides adaptés à former un gaz par mise en contact avec un catalyseur peuvent être contenus dans la première chambre C1 de l’enceinte 2. Le catalyseur K sera alors choisi en conséquence pour favoriser la génération du gaz.

La figure 3 illustre un dispositif 1’ de génération d’un gaz G’ par mise en contact d’un liquide L’ avec un catalyseur K’, qui n’est autre qu’une variante du dispositif 1.

Le dispositif 1’ diffère de celui représenté aux figures 1 et 2 en ce que la membrane 4’ définit sensiblement à elle seule le fond de l’enceinte 2’ et en ce que le maintien du clapet 5 en position fermée est désormais assuré par des ressorts 7’ de compression reliant une surface supérieure du clapet à la paroi supérieure de l’enceinte 2.

Le fonctionnement du dispositif 1’ est similaire à celui du dispositif 1.

Ainsi, lorsque l’unité de commande 12 reçoit un signal de commande d’ouverture, elle commande le vérin 10 de façon à déplacer la tige 10b de la position rétractée vers la position déployée. La tige 10b exerce alors sur la membrane 4’ un effort de poussée tendant à la déformer et à déplacer indirectement le clapet 5 de la position fermée vers la position ouverte, l’effort de poussée étant supérieur aux forces de poussée exercées par les ressorts 7’.

Dès lors, le liquide L’ contenu dans la première chambre C1 pénètre dans la deuxième chambre C2 et la mise en contact du liquide L’ avec le catalyseur K’ engendre la génération du gaz G’. Sous l’effet de la poussée d’Archimède, le gaz G’ s’écoule à travers le liquide L’ et s’évacue par l’orifice de sortie 3 de l’enceinte 2.

A l’inverse, lorsque l’unité de commande 12 reçoit un signal de commande de fermeture, elle commande le vérin 10 de façon à déplacer la tige 10b de la position déployée vers la position rétractée. La membrane 4’ tend alors à retrouver sa forme initiale et le clapet 5 est amené, sous l’effet de l’effort de poussée exercé par les ressorts 7’, à se déplacer de la position ouverte à la position fermée.

Dès lors, le liquide L’ contenu dans la première chambre C1 ne peut plus pénétrer dans la deuxième chambre C2 de sorte que la génération du gaz G’ est arrêtée.

La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation de l’invention, à savoir un dispositif 1’’ de génération d’un gaz G’’ par mise en contact d’un liquide L’’ avec un catalyseur K’’.

Le dispositif 1’’ diffère de celui représenté à la figure 3 en ce que la tige 10b du vérin 10 est solidaire de la plaque 9’’ dont une périphérie prend en sandwich la membrane 4’’. Ainsi, le déplacement du clapet 5 est désormais directement lié à celui de la tige 10b du vérin 10, de sorte que la présence de ressorts pour maintenir le clapet 5 en position fermée est inutile.

En variante, la membrane 4’’ peut également être dimensionnée avec des propriétés élastiques lui conférant la fonction de ressort de rappel.

Néanmoins, le fonctionnement du dispositif 1’’ reste sensiblement similaire à celui des dispositifs 1, 1’.

Lorsque l’unité de commande 12 reçoit un signal de commande d’ouverture, elle commande le vérin 10 de façon à déplacer la tige 10b de la position rétractée vers la position déployée, ce qui entraîne simultanément un déplacement de la plaque 9’’ tendant à déformer la membrane 4’’ et le passage du clapet 5 de la position fermée à la position ouverte.

Dès lors, le liquide L’’ contenu dans la première chambre C1 pénètre dans la deuxième chambre C2 et la mise en contact du liquide L’’ avec le catalyseur K’’ engendre la génération du gaz G’’. Sous l’effet de la poussée d’Archimède, le gaz G’’ s’écoule à travers le liquide L’’ et s’évacue par l’orifice de sortie 3 de l’enceinte 2.

A l’inverse, lorsque l’unité de commande 12 reçoit un signal de commande de fermeture, elle commande le vérin 10 de façon à déplacer la tige 10b de la position déployée vers la position rétractée. Sous l’effet du déplacement de la membrane 9’’, la membrane 4’’ tend à retrouver sa forme initiale et le clapet 5 passe de la position ouverte à la position fermée.

Dès lors, le liquide L’’ contenu dans la première chambre C1 ne peut plus pénétrer dans la deuxième chambre C2 de sorte que la génération du gaz G’’ est arrêtée.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.

Dans les figures, les échelles et les proportions des différents éléments des dispositifs ne sont pas nécessairement respectées.

Les ressorts 7, 7’ peuvent être remplacés par tout autre organe de rappel ou de traction, comme par exemple par des aimants.

Bien qu’ici le vérin soit électrique, il peut aussi être hydraulique ou pneumatique.

D’autres agencements et formes du catalyseur K sont bien entendu envisageables.

Claims (9)

1. Dispositif de génération d’un gaz par mise en contact d’un liquide avec un catalyseur, le dispositif comprenant une enceinte définissant une première chambre pour contenir le liquide et une deuxième chambre pour contenir le catalyseur, un clapet étant monté mobile à l’intérieur de l’enceinte entre une position fermée dans laquelle la première chambre et la deuxième chambre sont isolées l’une de l’autre et une position ouverte dans laquelle la première chambre et la deuxième chambre sont en communication fluidique, le clapet étant relié à une membrane élastiquement déformable formant une paroi de l’enceinte et la membrane étant accouplée à un actionneur agencé à l’extérieur de l’enceinte pour déformer ladite membrane de manière à déplacer le clapet entre la position fermée et la position ouverte.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la membrane déformable délimite au moins en partie un fond de l’enceinte.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la membrane déformable définit en totalité le fond de l’enceinte.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane déformable est en élastomère, de préférence de la famille des butyles ou des nitriles hydrogénés.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’actionneur est un vérin comprenant un corps cylindrique dans lequel est montée mobile une tige entre une position rétractée et une position déployée, une extrémité libre de la tige étant accouplée à la membrane déformable.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le vérin est un vérin électrique.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’actionneur est solidaire d’un module de commande fixé de manière amovible à l’enceinte.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le module de commande comprend une unité de commande configurée pour commander l’actionneur.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide est une solution aqueuse de borohydrure de sodium et dans lequel le catalyseur est à base de Cobalt pour favoriser la génération de dihydrogène.