FR3119438A1 - Reservoir ouvert a hydrogene - Google Patents

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Jean-François ILISCA Olivier
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Abstract

La présente invention concerne un réservoir pour le stockage d’hydrogène et la fourniture d’hydrogène gazeux à une pile à combustible, comprenant un conteneur d’hydrogène comprenant une entrée adaptée pour recevoir de l’hydrogène liquide (ou fluide), le conteneur d’hydrogène comprenant une sortie d’hydrogène gazeux, le réservoir comprend un conteneur de rétroaction, le conteneur de rétroaction comprenant une entrée d’hydrogène gazeux et une sortie d’hydrogène gazeux, le réservoir comprenant un chemin d’écoulement de l’hydrogène gazeux traversant le conteneur de rétroaction, le chemin d’écoulement étant au moins défini depuis l’intérieur du conteneur d’hydrogène jusqu’à la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction.Une partie au moins du chemin d’écoulement est agencée dans le conteneur de rétroaction et étant formée au moins en partie par une paroi du conteneur d’hydrogène. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

RESERVOIR OUVERT A HYDROGENE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un réservoir pour le stockage d’hydrogène, et plus particulièrement pour le stockage d’hydrogène permettant d’alimenter une pile à combustible, par exemple pour fournir de l’électricité au moteur d’un véhicule.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les réservoirs à hydrogène connus destinés à équiper des véhicules électriques ont pour objectif de garder l’énergie disponible le plus longtemps possible, souvent plusieurs semaines ou quelques mois si nécessaire. C’est le cas des réservoirs qui équipent les véhicules à hydrogène FCEV les plus courants par exemple ceux des marques « Toyota et Hyundai ». Afin de réduire les dimensions des réservoirs, l’hydrogène est conservé à basse température et/ou à forte pression (300, 700 ou 1000 bar), parfois en présence de solides adsorbant l’hydrogène. Pour atteindre cet objectif, un réservoir est formé d’une paroi composée de multicouches qui résistent à de fortes pressions et qui isolent thermiquement leur contenu. Une telle paroi est constituée de manière connue principalement de fibres de carbone et de plastiques métallisés entre lesquels est instauré un vide intercalaire difficile à produire et fragile à maintenir.
Qu’il s’agisse de réservoirs cryogéniques, cryo-compressés ou cryo-adsorbants, leurs inconvénients sont nombreux : ces réservoirs sont lourds, chers, complexes à manufacturer et leur durée de vie est insuffisante.
Un but de l’invention est de proposer un réservoir à hydrogène plus léger, moins cher, et/ou moins complexe à fabriquer que les réservoirs d’hydrogène connus.
Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un réservoir pour le stockage d’hydrogène et la fourniture d’hydrogène gazeux à une pile à combustible, le réservoir comprenant :
– un conteneur d’hydrogène comprenant une entrée adaptée pour recevoir de l’hydrogène fluide et préférentiellement liquide,
le réservoir étant caractérisé en ce que :
– le conteneur d’hydrogène comprend une sortie d’hydrogène gazeux,
– le réservoir comprend un conteneur de rétroaction, le conteneur de rétroaction comprenant une entrée d’hydrogène gazeux et une sortie d’hydrogène gazeux,
- le réservoir comprenant un chemin d’écoulement de l’hydrogène gazeux traversant le conteneur de rétroaction, le chemin d’écoulement étant au moins défini depuis l’intérieur du conteneur d’hydrogène jusqu’à la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction, le chemin d’écoulement agencé dans le conteneur de rétroaction étant bordé au moins en partie par une paroi du conteneur d’hydrogène.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l’une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- le réservoir comprend un troisième conteneur présentant une entrée d’hydrogène gazeux et une sortie d’hydrogène gazeux, le troisième conteneur étant relié fluidiquement à la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction par son entrée d’hydrogène gazeux, le chemin d’écoulement étant également défini au travers du troisième conteneur depuis la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction jusqu’à la sortie hydrogène gazeux du troisième conteneur, une partie du chemin d’écoulement étant agencée dans le troisième conteneur et étant formée au moins en partie par une paroi du conteneur de rétroaction,
- le réservoir comprend des moyens de contrôle de l’écoulement gazeux, les moyens de contrôle de l’écoulement présentant une résistance hydrodynamique,
- les moyens de contrôle de l’écoulement comprennent des bouchons de matériau poreux, agencés sur la totalité d’une section de l’écoulement, et/ou préférentiellement des chicanes et/ou des échangeurs de chaleur,
- le matériau poreux d’au moins l’un des bouchons est adapté à catalyser de l’hydrogène para en hydrogène ortho,
- le matériau poreux d’au moins l’un des bouchons présente une surface imprégnée d’ions magnétiques adaptés à catalyser de l’hydrogène para en hydrogène ortho,
- la masse totale du réservoir ne dépasse pas 11 fois la masse d’hydrogène stocké.
Un autre aspect de l’invention est un système de production d’électricité comprenant une pile à combustible et un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention, le système comprenant une entrée d’hydrogène fluide, préférentiellement liquide et dans lequel la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction est reliée à l’entrée d’hydrogène gazeux de la pile à combustible.
Un autre aspect de l’invention est une station de production d’électricité fixe, équipée d’un moteur électrique, alimentée par un système de production d’électricité selon un mode de réalisation de l’invention.
Un autre aspect de l’invention est un véhicule de transport (terrestre, naval ou aérien) équipé d’un moteur électrique, alimenté par un système de production d’électricité selon un mode de réalisation de l’invention.
Un autre aspect de l’invention est un procédé de production d’hydrogène gazeux, comprenant au moins les étapes :
a) d’introduction d’hydrogène fluide, préférentiellement liquide, dans le conteneur d’hydrogène d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention,
b) d’écoulement de l’hydrogène gazeux depuis la sortie du conteneur d’hydrogène vers la sortie d’hydrogène gazeux du (ou des) conteneur(s) de rétroaction.
Un autre aspect de l’invention est un procédé de montage d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention, comprenant les étapes successives :
a) d’insertion d’un conteneur d’hydrogène et d’un bouchon poreux magnétique (préférentiellement de type paramagnétique ou ferromagnétique ou ferrimagnétique ou antiferromagnétique) dans un support-espaceur muni d’un tube de charge,
b) d’insertion de cet ensemble dans le corps du conteneur de rétroaction,
c) d’insertion de bouchons poreux ainsi que leurs supports-espaceurs autour du réservoir d’hydrogène,
d) de fermeture du dernier conteneur de rétroaction par un couvercle comportant une sortie.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la illustre schématiquement un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention,
- la illustre schématiquement un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention vu en coupe,
- la illustre schématiquement les transferts d’hydrogène liquide et gazeux dans et en dehors d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention, ainsi que des transferts de chaleur dans un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention,
- la illustre schématiquement un procédé d’assemblage de la partie inférieure d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention,
- la illustre schématiquement un procédé d’assemblage de la partie supérieure d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention,
- la illustre schématiquement une introduction de l’hydrogène liquide dans le conteneur d’hydrogène d’un réservoir selon un mode de réalisation de l’invention,
- la illustre la variation de la pression dans le conteneur d’hydrogène P2 et dans le conteneur de rétroaction P5 en fonction du temps à partir de l’introduction de l’hydrogène dans le conteneur d’hydrogène,
- la illustre la variation de la température T2 dans le conteneur d’hydrogène et dans le conteneur de rétroaction T5 en fonction du temps à partir de l’introduction de l’hydrogène dans le conteneur d’hydrogène,
- la illustre schématiquement la variation de température dans le conteneur d’hydrogène T2 en fonction de l’entropie du fluide compris dans le conteneur d’hydrogène. Les traits en pointillés correspondent aux lignes d’égale densité ρ2 exprimée en g/L et ceux en tirets aux isobares de P2 (en bar).
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. Les dimensions figurées ne sont pas à l’échelle.
DEFINITION
On désigne par le terme « porosité » d’un matériau poreux, c’est-à-dire qui comprend des pores, le rapport du volume des pores d'un échantillon donné de matériau poreux sur le volume total de l'échantillon, le volume des pores étant compris.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la et à la , un réservoir 1 pour le stockage d’hydrogène et la fourniture d’hydrogène gazeux à une pile à combustible, comprend un conteneur d’hydrogène 2. Le conteneur d’hydrogène 2 comprend une entrée 3 adaptée pour recevoir de l’hydrogène liquide (ou fluide). Le conteneur d’hydrogène 2 comprend une sortie d’hydrogène gazeux 4. Le réservoir 1 comprend également un conteneur de rétroaction 5. Le conteneur de rétroaction 5 comprend une entrée d’hydrogène gazeux 6 et une sortie d’hydrogène gazeux 7.
Le réservoir 1 comprenant un chemin d’écoulement 8 de l’hydrogène gazeux traversant le conteneur de rétroaction 5. Le chemin d’écoulement 8 est au moins défini depuis l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2 jusqu’à la sortie d’hydrogène gazeux 7 du conteneur de rétroaction 5. Une partie du chemin d’écoulement 8 agencée dans le conteneur de rétroaction 5 est formée au moins en partie par une paroi 9 du conteneur d’hydrogène 2. Le chemin d’écoulement peut présenter des chicanes formées par les parois du chemin d’écoulement, et préférentiellement des parois configurées pour permettre des échanges de chaleur.
Le conteneur d’hydrogène 2 peut être fabriqué d’une seule pièce. Il peut être chargé initialement en hydrogène liquide (ou fluide) par l’intermédiaire d’un tube de charge 26, relié à l’entrée 3 du conteneur d’hydrogène. Une base du conteneur d’hydrogène 2 peut être percée de plusieurs orifices. L’orifice le plus large peut former l’entrée 3 et accueillir le tube de charge 26. Il est entouré d’un ensemble de fentes, formant une sortie 4 pour l’hydrogène gazeux, qui permettent l’évacuation de l’hydrogène gazeux vers le conteneur de rétroaction 5. Le conteneur de rétroaction 5 peut préférentiellement envelopper le conteneur d’hydrogène 2.
En référence à la , la partie inférieure du conteneur de rétroaction 5 forme une enveloppe autour du conteneur d’hydrogène 2. L’enveloppe peut être fixée sur une support-espaceur 20 qui permet de maintenir des bouchons 16 dans le conteneur de rétroaction 5, préférentiellement l’un en dessous et l’autre autour du conteneur d’hydrogène 2.
En référence à la , l’enveloppe peut être refermée par un couvercle, englobant une chambre de décompression 24, permettant de cercler et de sceller le conteneur de rétroaction 5.
Le réservoir 1 peut comprendre des moyens de contrôle de l’écoulement gazeux permettant de réguler l’écoulement gazeux dans le chemin d’écoulement 8. Les moyens de contrôle de l’écoulement présentent une résistance hydrodynamique limitée ce qui permet de contrôler passivement l’écoulement gazeux.
Les moyens de contrôle de l’écoulement peuvent comprendre des bouchons 16 poreux. Les bouchons 16 poreux peuvent être fabriqués en matériaux poreux, ou en poudres, le matériau poreux étant apte à être traversé par l’hydrogène. Le matériau poreux peut être choisi parmi du charbon activé et/ou des zéolithes, un nano-matériau carboné comme les fullerènes, un matériau métallo-organique (MOF), un agrégat (ou cluster) de nanoparticules supportées et/ou d’oxydes. Le matériau poreux peut également présenter des propriétés magnétiques. Les bouchons 16 poreux peuvent être agencés sur la totalité d’une section d’écoulement dans le chemin d’écoulement 8. Plusieurs bouchons peuvent être emboîtés et/ou juxtaposés selon la direction de l’écoulement afin de présenter une variété de pores de différentes dimensions. Le nombre de bouchons poreux entourant le conteneur d’hydrogène dépend de la taille du réservoir.
En référence aux figures 2, 3 et 4, le conteneur de rétroaction 5 peut préférentiellement comprendre un compartiment de base 27, un compartiment principal 31 et une chambre de décompression 24. Le compartiment de base 27 peut être relié à la sortie d’hydrogène gazeux 4, préférentiellement par l’intermédiaire d’un premier bouchon 28 poreux placé en dessous de cette sortie et au compartiment principal 31, préférentiellement par l’intermédiaire d’un deuxième bouchon 29 poreux placé autour du conteneur d’hydrogène. Le compartiment principal 31 peut être relié au compartiment de base 27, préférentiellement par l’intermédiaire d’un deuxième bouchon 29 poreux et à la chambre de décompression 24, préférentiellement par l’intermédiaire d’un troisième bouchon 30 poreux. La chambre de décompression 24 peut être reliée au compartiment principal 31, préférentiellement par l’intermédiaire du troisième bouchon 30 poreux, et à la sortie 7 d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5.
En référence à la , un bouchon 16 enserrant le conteneur d’hydrogène 2 peut être fixé sur un support-espaceur, comprenant une grille 22 et une plaque isolante. Le conteneur de rétroaction 5 peut comprendre une chambre de décompression 24, formée par le couvercle 24. Le couvercle 24 peut former une sortie 7 d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5.
Le réservoir 1 peut comprendre une vanne adaptée à contrôler l’écoulement, et préférentiellement le degré d’écoulement gazeux à la sortie 7 d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5.
En référence à la , le tube de charge 26 peut coulisser sur un tube fixé aux conteneurs d’hydrogène 2, au conteneur de rétroaction 5 ainsi qu’au support-espaceur 20. Le tube de charge 26 peut comprendre un couvercle supérieur et plusieurs orifices inférieurs permettant la charge. Il est fermé après la charge par un bouchon cylindrique isolant (non figuré). La taille des joints et des interstices est inférieure à la dimension des trous de sortie 4 du conteneur d’hydrogène 2.
Isolation thermique
L’isolation thermique est simplifiée au regard des réservoirs connus. La conception flexible du réservoir 1 permet d’ajuster les paramètres géométriques et thermiques du réservoir de manière à ce que le réservoir puisse permettre l’écoulement d’hydrogène gazeux pendant un temps prédéterminé. L’enveloppe formant le conteneur d’hydrogène 2 et/ou l’enveloppe formant le conteneur de rétroaction 5 peuvent comprendre chacune une pluralité de couches juxtaposées sans vide intercalaire. L’enveloppe peut également comprendre de l’air ou un gaz isolant à la pression atmosphérique.
La conductivité thermique des matériaux de la ou des enveloppes est choisie en fonction de la durée de décharge souhaitée. L’enveloppe peut comprendre au moins un élément choisi parmi des feuilles d’aluminium, des fibres de carbone et/ou de verre permettant de résister à de fortes pressions, de la laine de verre, de la mousse de verre, des feuilles de plastique métallisé, des rubans de graphène supporté, des composites de résine, un matériau polymère par exemple du polyéthylène ou du polyuréthane. Une enveloppe est préférentiellement formée de matériaux présentant chacun une conductivité thermique préférentiellement comprise entre 10 et 100 mW.m-1K-1.
Assemblage du Réservoir
En référence aux figures 4 et 5, le réservoir 1 peut être monté en mettant en œuvre les étapes suivantes :
a) insertion du conteneur d’hydrogène 2 et du bouchon 16 poreux, préférentiellement magnétique (paramagnétique ou de type ferromagnétique), dans un support-espaceur 20 muni d’un tube de charge,
b) d’insertion de l’ensemble formé par le conteneur d’hydrogène 2, le bouchon 16 (28) et le support-espaceur 20 dans le conteneur de rétroaction 5,
c) d’insertion de bouchons 16 poreux ainsi que de supports-espaceurs 20 associés autour du réservoir d’hydrogène 2 dans le conteneur de rétroaction 5,
d) fermeture du conteneur de rétroaction 5 par un support-espaceur 22 muni d’une grille et d’une plaque isolante fixées sur le conteneur d’hydrogène 2, puis par un couvercle comportant une sortie 7.
Le conteneur d’hydrogène 2 peut être formé d’une seule pièce. Il présente un orifice principal pour recevoir le tube de charge 26, formant une entrée 3 du conteneur d’hydrogène 2. Le conteneur d’hydrogène 2 peut être percé de fentes à sa base, éventuellement munies de buses, formant une sortie d’hydrogène gazeux 4 et permettant la décharge de l’hydrogène gazeux.
Le conteneur d’hydrogène 2 peut être inséré dans l’enveloppe du conteneur de rétroaction 5. La base inférieure du conteneur d’hydrogène 2 est maintenue par un support-espaceur 20, de préférence métallique, et un bouchon 16 poreux. L’ensemble formé par le conteneur d’hydrogène 2, le bouchon 16 et le support-espaceur 20 est placé dans le corps du conteneur de rétroaction 5, et peut être préférentiellement entouré et maintenu par des bouchons 16 poreux successifs.
Le conteneur de rétroaction 5 peut comprendre un autre bouchon 16 poreux, un autre support-espaceur 22, et une grille 25 et une plaque isolante, agencée sur une base du conteneur d’hydrogène 2, et un couvercle formant une sortie du conteneur de rétroaction 5. Le couvercle est scellé par collage et/ou soudure, et maintenu par un cerclage. Cet ensemble enferme une chambre de décompression 24 qui conduit à la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5.
Le tube de charge 26 traverse une paroi du conteneur d’hydrogène 2 et une paroi du conteneur de rétroaction 5. Le tube de charge 26 est en liaison fluidique avec un orifice du conteneur d’hydrogène 2, formant une entrée 3 d’hydrogène du conteneur de rétroaction 2, permettant l’introduction de la charge initiale d’hydrogène liquide (ou fluide) dans le réservoir 1. Préférentiellement, le tube de charge 26 est adapté pour coulisser au travers de l’entrée 3 du conteneur d’hydrogène 2. Dans une configuration dite ouverte, le tube de charge permet à hydrogène liquide d’entrer dans le conteneur d’hydrogène 2. Dans une configuration dite fermée, le tube de charge 26 empêche toute introduction d’hydrogène dans le conteneur d’hydrogène 2. Le tube de charge 26 peut préférentiellement comprendre une butée agencée à l’extrémité du tube de charge 26, la butée étant agencée à l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2. Lorsque le tube de charge 26 est en configuration fermée, la butée est en contact avec l’une des parois du conteneur d’hydrogène 2, de manière à empêcher le passage de de tout hydrogène. Par coulissement du tube de charge 26 vers l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2, le tube de charge 26 peut présenter une ouverture entre le tube de charge et le conteneur d’hydrogène 2 de manière à permettre l’introduction de l’hydrogène liquide (ou fluide) à l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2.
Les pertes d’hydrogène liquide sont minimisées au regard des réservoirs connus de par la présence d’une sortie 3 ouverte du conteneur d’hydrogène 2, permettant de diminuer les fuites d’hydrogène gazeux par des joints. Le diamètre des buses formant la sortie 3 et permettant l’évacuation de l’hydrogène gazeux en dehors du conteneur d’hydrogène 2 peut être préférentiellement supérieur aux interstices qui séparent le tube fixe, le tube coulissant de charge et la base du conteneur de rétroaction 5.
Ce montage est facilité par la simplicité des pièces qui s’enfilent les unes sur les autres. La nature et la géométrie des matériaux sont choisies en fonction du temps de décharge de l’hydrogène liquide. L’entrée 3 du conteneur d’hydrogène, l’enveloppe protectrice du conteneur de rétroaction, et l’acheminement du gaz à travers une succession de barrages formés par les bouchons 16 et de la chambre de décompression 24 permettent de se dispenser de dispositifs de sécurité additionnels.
Les flux d’hydrogène
i/ Les compartiments et le chemin d’écoulement 8 d’hydrogène gazeux
Le réservoir 1 est conçu pour fournir de l’hydrogène gazeux en continu à une pile à combustible 23. Le réservoir 1 comprend des conteneurs emboîtés les uns dans les autres, dans lesquels l’hydrogène gazeux peut circuler.
Le conteneur d’hydrogène 2 comprend une entrée 3 adaptée pour recevoir de l’hydrogène liquide ou fluide à très basse température. Par « très basse température », on entend une température comprise entre 20 et 100 K.Après que l’hydrogène liquide soit inséré dans le conteneur d’hydrogène 2, le réservoir 1 étant à une température ambiante, par exemple comprise entre -0°C et 40°C, l’hydrogène se trouve en déséquilibre thermodynamique. L’hydrogène s’évapore, et l’hydrogène gazeux est entraîné vers la sortie 4 du conteneur d’hydrogène 2 par la chaleur provenant de l’environnement du réservoir.
En référence à la , l’écoulement d’hydrogène gazeux vers l’extérieur du conteneur d’hydrogène 2 permet d’orienter un flux de chaleur vers la sortie du conteneur de rétroaction 5. Le conteneur d’hydrogène 2 peut être par exemple percé à sa base par un ensemble de fentes munies de buses. Ainsi, l’hydrogène gazeux peut parcourir le chemin d’écoulement 8 depuis l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2 vers le conteneur de rétroaction 5. Le chemin d’écoulement 8 est formé entre les enveloppes respectives du conteneur d’hydrogène 2 et du conteneur de rétroaction 5. L’hydrogène gazeux s’écoule depuis le conteneur de rétroaction 5 vers la sortie 7 d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5. Lors de la traversée du chemin d’écoulement 8, l’hydrogène gazeux traverse une succession de compartiments délimités entre eux par les différents conteneurs et/ou par les bouchons 16 poreux.
Le matériau poreux d’au moins l’un des bouchons 16 est préférentiellement adapté à catalyser de l’hydrogène para en hydrogène ortho. Le premier bouchon 16 rencontré par l’hydrogène gazeux dans le chemin d’écoulement 8 peut être adapté pour catalyser l’hydrogène de sa forme para initiale en un mélange ortho–para. Ainsi, la catalyse magnétique de l’hydrogène, qui peut être mise en œuvre par les bouchons 16 poreux, permet de convertir une partie de la chaleur en rotation moléculaire de l’hydrogène.
En référence à la , au moins l’un des bouchons 16 peut être serti dans un support-espaceur 20, qui permet de maintenir le conteneur d’hydrogène 2 à l’intérieur du conteneur de rétroaction 5, et à la fois d’espacer les parois du conteneur d’hydrogène 2 des parois du conteneur de rétroaction 5.
Après un passage au travers du bouchon 16, l’hydrogène gazeux peut par exemple remplir le conteneur de rétroaction 5. L’hydrogène gazeux présente une pression inférieure après le bouchon 16 par rapport au sens du chemin d’écoulement 8 qu’avant le bouchon 16. En effet, le passage par le bouchon 16 entraîne une chute de pression dans l’écoulement 8. Le réservoir 1 peut préférentiellement comprendre une succession de bouchons 16 poreux agencés dans le chemin d’écoulement 8 de manière à laisser des espaces sans bouchon entre les différents bouchons 16.
Selon un aspect de l’invention, un système 22 de production de l’électricité peut comprendre un réservoir 1 selon un mode de réalisation de l’invention, et une pile à combustible 23. La pile à combustible 23 comprend une entrée d’hydrogène, et la sortie d’hydrogène gazeux 7 du conteneur de rétroaction 5 est reliée à l’entrée d’hydrogène gazeux de la pile à combustible 23. Ainsi, il est possible d’alimenter la pile à combustible 23 en hydrogène gazeux de manière à produire de l’électricité. Le système22peut comprendre une ou plusieurs vannes, et un réservoir complémentaire en dérivation disposés entre la sortie 7 du conteneur de rétroaction 5 et l’entrée d’hydrogène gazeux de la pile à combustible 23, permettant de réguler les fluctuations de pression de l’hydrogène gazeux et le débit d’hydrogène gazeux vers la pile à combustible 23. Le réservoir 1 présente une pression en hydrogène gazeux plus petite, notamment dans le conteneur de rétroaction 5, que la pression en hydrogène dans les réservoirs d’hydrogène connus qui permettent d’alimenter une pile à combustible.
Les inventeurs ont découvert qu’un réservoir 1, comprenant des conteneurs d’hydrogène et de rétroaction ouverts selon un mode de réalisation de l’invention, présente des propriétés d’autorégulation thermique reliées à une autorégulation du débit d’hydrogène gazeux en écoulement dans le réservoir 1. En effet, il existe un flux de chaleur en provenance de l’extérieur vers l’intérieur du réservoir 1, et plus particulièrement vers l’intérieur du conteneur de rétroaction 5. Si le débit de sortie du réservoir augmente, moins de chaleur pénètre dans le conteneur d’hydrogène, ce qui ralentit l’entrée d’hydrogène gazeux dans le conteneur de rétroaction, contrebalançant ainsi l’augmentation du débit de sortie du réservoir. Si le débit de sortie du réservoir diminue, plus de chaleur pénètre dans le conteneur d’hydrogène, ce qui accélère l’écoulement d’hydrogène gazeux dans le conteneur de rétroaction. Dans ces fluctuations, le conteneur de rétroaction produit un effet qui contrebalance la cause qui lui a donné naissance.
Étapes successives de décharge de l’hydrogène gazeux du réservoir 1
En référence à la , à la et à la , l’écoulement de l’hydrogène depuis son entrée dans le conteneur d’hydrogène 2 jusqu’à la sortie 7 d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5, et donc jusqu’à la sortie du réservoir 1, est réchauffé progressivement de manière à présenter une température d’environ 300 K à sa sortie.
En référence à la , un procédé de production de l’hydrogène gazeux comprend une étape d’introduction d’hydrogène liquide (ou fluide) dans le conteneur d’hydrogène 2 du réservoir 1, et une étape d’écoulement. L’étape d’écoulement de l’hydrogène gazeux peut comprendre une sous-étape d’évaporation 701 de l’hydrogène introduit dans le conteneur d’hydrogène 2 (dite aussi « boil-off »), une sous-étape de compression 702 de l’hydrogène gazeux (dite aussi « pressure build-up »), une sous-étape de détente et de conversion 703 (dite aussi « expansion-conversion ») et une sous-étape d’évacuation 704 (dite aussi « back-off »).
Le réservoir 1 peut comprendre une pluralité de compartiments, chaque compartiment étant délimité par un bouchon 16 poreux. Pour chaque sous-étape, la masse sortante en hydrogène gazeux d’un compartimentidépend des variations de pression et de densité entre les compartimentsieti+1. Par contre, la masse entrante dans le compartimenti+1comprend en outre la variation de masse d’hydrogène interne au bouchon 16 qui sépare les deux compartiments.
Sous-étape d’évaporation 701 (« boil-off »)
L’hydrogène introduit, dans le conteneur d’hydrogène 2, présente une ébullition rapide et d’abord partielle. On peut distinguer deux phases pendant l’ébullition de l’hydrogène. L’hydrogène liquide peut être chargé dans le conteneur d’hydrogène 2 sous forme d’hydrogène liquide (ou fluide) à forte densité, par exemple présentant une densité sensiblement égale à 80 g/L. L’hydrogène liquide peut être introduit dans le conteneur d’hydrogène 2 par une pompe commerciale en quelque minutes, préférentiellement en moins de 5 minutes. La chaleur des parois et des conduits du réservoir 1 entraîne une évaporation partielle immédiate et un mélange liquide-vapeur de l’hydrogène. Comme le conteneur d’hydrogène 2 est ouvert, la partie de l’hydrogène sous forme de vapeur est immédiatement évacuée en dehors du conteneur d’hydrogène 2. Le volume du conteneur d’hydrogène est configuré pour que la densité d’hydrogène dans le conteneur d’hydrogène 2 soit comprise entre 60 g/L et 70 g/L à la fin de l’introduction de l’hydrogène liquide (ou fluide) dans le conteneur d’hydrogène, et comprise entre 50 g/L et 60 g/L à la fin de la sous-étape d’évaporation 701. Suite à la sous-étape d’évaporation 701, l’hydrogène présent dans le conteneur d’hydrogène est sous forme d’un fluide gazeux. Le débit d’hydrogène en sortie du conteneur d’hydrogène 2 croît, et l’hydrogène remplit les différents compartiments du conteneur de rétroaction 5 en quelques minutes, préférentiellement entre 1 et 10 minutes. Le débit au travers de la sortie d’hydrogène gazeux 4 peut être régulé par le bouchon 16 poreux, ainsi que par le nombre et/ou la taille des buses qui peuvent former une partie de la sortie d’hydrogène gazeux 4. Le conteneur d’hydrogène 2 présente une température sensiblement stable pendant la charge, puis une température présentant une croissance faible. En effet, de l’énergie est consommée par l’évaporation, même partielle, à la fin de la première sous-étape d’évaporation 701, au temps t1. De plus, la densité en hydrogène décroit lors de la sous-étape d’évaporation 701.
Le conteneur d’hydrogène 2 est configuré en sorte que la température, à la fin de la sous-étape d’évaporation 701, soit préférentiellement égale à une température T(t1) la plus proche possible de la température critique de l’hydrogène de 33 K, soit comprise entre 30 K et 31 K.
La fin de la sous-étape d’évaporation 701, au temps t1, est définie au temps où l’hydrogène compris dans le conteneur d’hydrogène 2 quitte l’état d’équilibre liquide-valeur et présente une pression égale à P(t1), sensiblement égale à 37 bar. Ainsi, le débit en hydrogène au travers de la sortie 4 d’hydrogène gazeux augmente rapidement.
Lors d’une réutilisation du réservoir 1, lors de l’étape d’introduction d’hydrogène liquide (ou fluide), il peut rester dans le conteneur de rétroaction 5 quelques centaines de grammes d’hydrogène à 300 K provenant d’une ancienne utilisation. La température du conteneur de rétroaction 5 baisse tout au long de la sous-étape d’évaporation 701 avec l’entrée d’hydrogène préférentiellement autour de 30 K issu du conteneur d’hydrogène 2, mais reste toujours supérieure à la température du conteneur d’hydrogène 2.
Sous-étape de compression 702 de l’hydrogène gazeux (« pressure build-up »)
Au fur et à mesure que la chaleur parvient au conteneur d’hydrogène 2 lors de l’utilisation du réservoir 1, sa pression interne croît. Le débit de sortie en hydrogène croît également. Ces croissances se trouvent limitées d’une part par la baisse rapide de la densité d’hydrogène restant dans le conteneur d’hydrogène, et par la montée en pression du compartiment relié à la sortie du conteneur d’hydrogène, celle du compartiment de base 27 du containeur de rétroaction 5, présentant une pression P27.
La température du conteneur d’hydrogène 2 augmente lentement au cours de la sous-étape de compression 702. En effet, la chaleur, provenant du conteneur de rétroaction 5 vers le conteneur d’hydrogène 2, est réduite par le temps nécessaire à accroître la densité et la faible conduction de chaleur de l’hydrogène à cette faible densité dans le conteneur de rétroaction 5.
Lors de la sous-étape de compression 702, le conteneur de rétroaction 5 présente une température passant par un minimum puis elle augmente rapidement, à peu près proportionnellement aux pressions. En effet, les densités de l’hydrogène n’augmentent que beaucoup plus lentement dans les différents compartiments à cause de l’évacuation continue et des bouchons 16 poreux qui se remplissent. Les pressions dans le conteneur de rétroaction 5 s’étagent successivement dans le compartiment de base 27, puis dans le compartiment agencé entre le compartiment de base 27 et la chambre de décompression 24, puis dans la chambre de décompression 24. Elles s’étagent en fonction des caractéristiques des bouchons 16 poreux, agencés entre les différents compartiments. Ces caractéristiques peuvent comprendre préférentiellement la porosité du ou des bouchons 16, leurs densités ainsi que leurs pouvoirs absorbants. Les bouchons 16 peuvent comprendre des micropores, qui peuvent se remplir d’hydrogène. Les micropores des bouchons poreux commencent à se remplir et la catalyse magnétique peut s’amorcer lentement dans le premier bouchon 28 à cause de la faible température de l’hydrogène issu du conteneur d’hydrogène 2, tandis que la catalyse peut s’amorcer plus rapidement dans le deuxième bouchon 29.
La fin de la sous-étape de compression 702 est définie sensiblement par une durée égale à 20% de la durée totale de l’écoulement de l’hydrogène gazeux, et/ou à un moment auquel entre 70 % et 80 % de l’hydrogène introduit initialement dans le conteneur d’hydrogène 2 est encore compris dans le conteneur d’hydrogène 2. A la fin de la sous-étape de compression 702, la densité de l’hydrogène dans le conteneur d’hydrogène 2 est comprise entre 40 g/L et 50 g/L, la température à l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2 est supérieure à 60 K et la pression interne à l’intérieur du conteneur d’hydrogène 2 est comprise entre 105 et 125 bar.
Sous-étape de détente et de conversion 703 (« expansion-conversion »)
Des détentes de l’hydrogène gazeux ont lieu à la sortie du ou des bouchons 16 poreux. Ces détentes permettent de limiter la pression interne. La montée en température de l’hydrogène dans le conteneur de rétroaction 5 diminue la chaleur entrante. La catalyse magnétique de l’hydrogène, qui peut être mise en œuvre par les bouchons 16 poreux, permet de convertir une partie de la chaleur en rotation moléculaire.
En référence aux figures 3, 7, 8 et 9, l’action conjuguée des détentes et de la catalyse permet de compenser une part importante de la chaleur entrante. Les pressions se stabilisent et atteignent un palier de saturation, de même pour les vitesses d’écoulement et les débits de sortie. L’ensemble des densités et des flux d’hydrogène qui ont augmenté s’étagent dans le sens de l’écoulement. Un régime quasi-stationnaire peut s’établir. Cependant, la montée en température T2du conteneur d’hydrogène 2 se poursuit au cours de cette étape approximativement le long de l’isobare de 120 bar, coincée entre les densités de 30 g/L et 40 g/L.
La fin de la sous-étape de détente et de conversion 703 est définie à environ 60 % de la durée totale de l’étape d’écoulement de l’hydrogène gazeux, et/ou à un moment auquel entre 30 % et 40 % de l’hydrogène introduit initialement dans le conteneur d’hydrogène 2 est encore compris dans le conteneur d’hydrogène 2. La fin de la sous-étape de détente et de conversion 703 peut être également définie par un changement de concavité de la courbe T2(t). La densité de l’hydrogène dans le conteneur d’hydrogène 2 est comprise, à la fin de la sous-étape de détente et de conversion 703, préférentiellement entre 15 g/L et 25 g/L tandis que sa température est supérieure à 120 K et que sa pression interne devient inférieure à 110 bar.
Sous-étape d’évacuation 704 (« back-off »)
En référence à la et à la , la diminution de la densité locale d’hydrogène gazeux le long du chemin d’écoulement 8 entraîne un ralentissement du réchauffement du réservoir. La température de l’hydrogène dans le conteneur de rétroaction 5 se rapproche de celle de l’environnement réduisant encore la chaleur entrante. Les concavités des courbes de température T2(t) et T2(s) dans la sous-étape 704 sont les inverses de celles dans la sous-étape 703. Les densités et les pressions dans les différents compartiments du conteneur de rétroaction 5 relaxent tour à tour, asymptotiquement vers les conditions « standard », dans un temps fixé au moins en partie par les gammes de conductivité thermiques choisies pour les matériaux des parois du conteneur d’hydrogène 2 et du conteneur de rétroaction 5. Les matériaux poreux désorbent et contribuent à maintenir un débit plus faible mais néanmoins suffisant pour alimenter la pile à combustible pendant près de la dernière moitié du temps prédéterminé pour l’évacuation de l’hydrogène.
Flux de chaleur dans le réservoir 1
Le réservoir 1 présente les avantages d’un réservoir cryogénique présentant une compression limitée au regard des réservoirs connus. En référence à la , le conteneur de rétroaction 5 permet de diminuer la montée en pression du conteneur d’hydrogène 2 et de ralentir son réchauffement au regard des réservoirs connus.
Principes du réservoir 1
La chaleur provenant de l’environnement extérieur au réservoir 1 est évacuée en grand partie par trois processus complémentaires, décrits ci-après.
i) L’écoulement gazeux dans la partie 8 du chemin d’écoulement dans le containeur de rétroaction 5 est réchauffé par la chaleur provenant de l’environnement extérieur, mais celle-ci est en partie évacuée en sortant du conteneur de rétroaction 5.
Le réservoir 1 permet d’utiliser une partie importante de la chaleur entrant dans le réservoir 1 pour entraîner l’hydrogène du conteneur de rétroaction 5 vers la pile à combustible 23. Ainsi, l’écoulement dans la partie 8 du chemin d’écoulement dans le conteneur de rétroaction 5, est un contre-courant thermiquement isolant. Le terme contre-courant est utilisé au regard de la direction de l’écoulement dans le chemin 8 opposée à celle du flux sortant du conteneur d’hydrogène 2, également selon les procédés mis en œuvre dans la liquéfaction industrielle de l’hydrogène. Le demi-tour s’opère dans la base 27. L’hydrogène sortant du conteneur d’hydrogène 2 enveloppe le conteneur d’hydrogène 2 avant d’être évacué en dehors du réservoir 1. Le contre-courant agit sur le conteneur qui lui a donné naissance. En isolant le conteneur d’hydrogène 2, l’hydrogène en écoulement dans le conteneur de rétroaction 5 retarde d’abord l’évaporation de l’hydrogène puis son réchauffement, puis étale dans le temps son évacuation. L’épaisseur et la capacité d’isolation thermique des parois du conteneur d’hydrogène 2 et du conteneur de rétroaction 5 déterminent l’étalement dans le temps de l’utilisation de l’énergie stockée dans l’hydrogène.
ii) Une autre partie de la chaleur entrante peut être transformée en énergie de rotation des molécules gazeuses par les bouchons 16 magnétisés qui catalysent la variété initiale para de l’hydrogène stocké en variété ortho. Ainsi, les bouchons 16 poreux peuvent être refroidis par cet effet catalytique, ce qui a pour effet de ralentir la montée en température de l’écoulement dans le chemin d’écoulement 8 dans le conteneur de rétroaction 5.
La conversion ortho-para de l’hydrogène catalysée par les bouchons 16 poreux magnétisés, permet d’absorber une part importante de la chaleur entrante dans le réservoir 1 et contribue à isoler le conteneur d’hydrogène 2. Etant fortement endothermique, elle refroidit les barrages et l’écoulement gazeux dans le conteneur de rétroaction 5 (par environ 3/5 de son énergie thermique). Selon un mode de réalisation de l’invention, le matériau poreux d’un bouchon 16 poreux présente une surface imprégnée d’ions magnétiques adaptés à catalyser de l’hydrogène para en hydrogène ortho. Préférentiellement, des éléments magnétiques, tels que des ions et/ou des atomes imprégnés ou adsorbés ou dilués, et/ou des impuretés dispersées, sont insérés dans la matrice poreuse du bouchon. La matrice poreuse du bouchon 16 poreux peut être préférentiellement formée par un substrat composite, une structure métallo-organique, et/ou une matrice formée par une poudre. L’hydrogène qui diffuse à travers les pores d’un bouchon 16 poreux est converti de sa forme para initiale en un mélange ortho-para thermique. Ce mélange s’enrichit en variété ortho au fur et à mesure de son écoulement.
iii) Les bouchons poreux ont pour effet d’isoler thermiquement le conteneur d’hydrogène 2, de permettre la détente de l’hydrogène dans le chemin d’écoulement et d’adsorber une partie de l’hydrogène gazeux. Les détentes irréversibles de Joule-Thomson qui se produisent à leur traversée compensent une partie de la chaleur entrant dans le réservoir 1. Ils absorbent de l’hydrogène tout en isolant thermiquement le réservoir 1.
Les barrages successifs formés par les moyens de contrôle de l’écoulement gazeux, préférentiellement par les bouchons 16 poreux, retardent et régulent l’évacuation de l’hydrogène. Ils permettent des détentes de l’hydrogène gazeux principalement lorsque la température de l’hydrogène gazeux est inférieure à 200 K. Les bouchons 16 forment une pluralité de compartiments formés entre les différents bouchons 16. Selon le sens de l’écoulement gazeux, les différents compartiments présentent des pressions en hydrogène successivement décroissantes. Les bouchons poreux 16 peuvent être préférentiellement formés par des zéolithes, des charbons ou graphites, et/ou des MOF supportés. Ainsi, l’hydrogène gazeux présente des détentes irréversibles au cours de son écoulement dans le chemin d’écoulement 8, jusqu’à des températures inférieures à la température d’inversion de l’hydrogène de 200 K. Les bouchons 16 poreux permettent également de stocker de l’hydrogène comprimé, par adsorption sur des sites préférentiels mais aussi par insertion sous pression dans les micropores des bouchons 16 poreux. En effet, la molécule d’hydrogène est de très petite taille et se glisse dans des nano-cages du matériau formant un bouchon 16 poreux. Les bouchons 16 poreux forment ainsi un système d’écluses successives qui permettent une auto-régulation globale. Si la température de l’écoulement gazeux dans le conteneur de rétroaction augmente, la chaleur entrante diminue (et inversement pour une baisse de la température). Si la pression du gaz en écoulement dans le conteneur de rétroaction 5 augmente, le flux de sortie augmente et simultanément le débit de gaz en sortie du conteneur d’hydrogène 2 diminue, donc la densité du contre-courant diminue ce qui diminue la pression dans le conteneur de rétroaction et donc s’oppose à la variation qui lui a donné naissance (et inversement pour une baisse de la pression).
Ce système d’écluses régule donc les débits (les écoulements d’un compartiment à l’autre). En limitant la pression de l’écoulement gazeux dans le conteneur de rétroaction 5, il détermine, avec l’ajustement des caractéristiques géométrique et matérielle des parois, à fixer la durée de disponibilité énergétique. Finalement, quand la température dépasse le seuil caractéristique de la dernière phase, la désorption des poudres restitue l’hydrogène stocké dans les phases préliminaires produisant un dernier refroidissement.
Performances du réservoir 1
Les réservoirs connus, destinés au stockage de l’hydrogène pour l’alimentation d’une pile à combustible, sont conçus pour une variété d’applications qui permettent une conservation de l’énergie pendant une longue période (la plus longue possible). Les véhicules qui l’utilisent peuvent ainsi se déplacer ou alternativement s’immobiliser en conservant cette énergie.
La dernière génération de réservoirs d’hydrogène cryogénique et pressurisé à 350 bar a atteint les objectifs fixés par leUS Department Of Energy pour 2017en terme de gravimétrie (7,5 % défini par le rapport entre la masse d’hydrogène stocké et la masse totale du réservoir) et de volumétrie (46 g/L défini par le rapport entre la masse d’hydrogène stocké et le volume du réservoir) sur un véhicule Toyota qui a parcouru 1050 km avec une seule charge d’hydrogène. Les parois de ce réservoir étaient constituées de multicouches de plastiques métallisés plongées dans un vide intercalaire important (présentant une pression inférieure à inférieur à 10-6bar) et entourés d’une enveloppe métallique. Ces parois caractérisées par un coefficient de transfert thermique d’environ 4 W permettent de garder l’hydrogène à basse température et haute pression plus d’une semaine sans pertes.
Au contraire, le réservoir 1 selon un mode de réalisation de l’invention se distingue par une fourniture continue d’hydrogène à une pile à combustible, pendant une période plus limitée. Cette durée τ d’utilisation est définie par l’application désirée : par exemple une journée pour un taxi ou un VTC, un trajet pour un train ou un avion ou une durée de livraison pour un poids lourd. Cette durée est déterminée par le choix des matériaux utilisés pour fabriquer les parois du conteneur d’hydrogène 2 et du conteneur de rétroaction 5, et pour produire les bouchons poreux 16. En cas d’immobilisation temporaire du système comprenant la pile à combustible 23, l’hydrogène continue à alimenter la pile à combustible 23 et l’énergie électrique produite est alors dirigée vers une batterie pour être stockée.
Les performances du réservoir 1 sont déterminées par les résistances hydrodynamiques et thermiques du dispositif. La résistance hydrodynamique du chemin d’écoulement 8 est un paramètre qui permet de calculer la durée τ. Dans le cadre du modèle permettant de déterminer le fonctionnement du réservoir 1, l’entrée de chaleur dans le réservoir 1 est déterminée par le coefficient de transfert thermique h5de la paroi agencée entre le conteneur de rétroaction 5 et l’extérieur du réservoir 1, préférentiellement compris entre 1 W.m-2.K-1 et 10 W.m-2.K-1. Le produit de la surface A5de la paroi et du coefficient de transfert thermique h5est l’inverse d’une résistance thermique, soit une conductance thermique.
La chaleur qui pénètre dans le réservoir 1 par unité de temps dQ/dt est définie par la relation dQ/dt= A5.h5(300–T5), où T5est égale à la température de l’hydrogène dans le conteneur de rétroaction 5, en contact avec l’atmosphère à la température de 300 K.
La variation de la température dans le chemin d’écoulement 8 à l’intérieur du conteneur de rétroaction 5, est représentée en fonction du temps t dans la figure 8. Les sous-étapes 701, 702, 703, et 704 figurent en abscisse temporelle. Après l’accommodation des sous-étapes 701 et 702, la température croît rapidement pendant la sous-étape 703 puis relaxe lentement vers la température de l’atmosphère. Différemment, la température du fluide dans le conteneur d‘hydrogène 2 stagne d’abord pendant la sous étape 701 d’évaporation puis suit le réchauffement du contre-courant d’hydrogène formé par l’écoulement de l’hydrogène gazeux dans le chemin d’écoulement 8 dans le conteneur de rétroaction 5, avec un certain décalage. Cette croissance de la température est illustrée en fonction de l’entropie du fluide restant dans le conteneur d’hydrogène 2, dans la figure 9. Les sous-étapes 701, 702, 703, et 704 figurent ici en ordonnée thermique. Il apparaît que la compression est rapide pendant les sous-étapes 701 et 702, comme également illustré dans la figure 7. La pression dans le conteneur hydrogène 2 est supérieure à 100 bar à la fin de la sous étapes 702, quand la densité ρ2 d’hydrogène dans ce compartiment est inférieure à 45 g/L. approche alors de la température de l’azote liquide (77 K). La croissance de cette température suit ensuite approximativement l’isobare de 120 bar au cours de la sous-étape 703, puis s’infléchit à une température comprise préférentiellement entre 120 K et 180 K, quand la densité ρ2 devient inférieure à 25 g/L au cours de la sous-étape 704.
La chaleur provenant de l’extérieur qui a pénétré dans le réservoir 1 pendant une duréets’exprime par la formule intégrale (1) :
Q5(t) = A5.h5 (1)
L’intégrale σ5(τ) = , illustrée par la surface hachurée comprise entre 300 K et sur la , représente la chaleur entrée dans le réservoir 1 pendant la durée d’utilisation τ : Q5(τ), rapportée à la conductivité thermique A5.h5.
La comparaison de deux réservoirs permet une interprétation graphique : soient deux réservoirs de même surface A et de même transfert h, qui relâcheraient la même quantité d’hydrogène pendant la même durée et à la même température de 300 K, l’un conservant l’hydrogène restant à tout instant à une température de 30 K, tandis que l’autre muni d’un conteneur de rétroaction voit la température du flux d’hydrogène qui parcourt le chemin d’écoulement 8 varier continument dans le temps entre 30 K et 300 K.
Le rapport des chaleurs entrées dans ces deux réservoirs est égal à Q0/Q5. Ce rapport est égal au rapport des surfaces σ0/σ5, où σ0 = 270 τ est la surface du rectangle illustrée dans la figure 8. Ce rapport des surfaces θ égal à σ0/σ5 peut être désigné par le terme : « facteur de rétroaction ». Le facteur de rétroaction θ révèle une amplification supérieure à deux et préférentiellement comprise entre 3 et 5. De même, la chaleur transmise par le conteneur de rétroaction vers le conteneur d’hydrogène correspond à la surface comprise entre les courbes de et rapportée à la conductivité thermique A2.h2de la paroi du conteneur d’hydrogène. Cette chaleur est définie par la formule (2) suivante :
Q2(t) = A2.h2 (2)
et la chaleur totale entrée dans le conteneur d’hydrogène 2 pendant la durée d’utilisation τ est définie par Q2(τ)= A2.h2.σ2(τ). La chaleur totale Q2(τ) est illustrée par la surface hachurée comprise entre les courbes sur la (à multiplier par A2.h2). A tout instant t, la surface σ5(t) représente la chaleur qui a pénétré dans le réservoir en provenance de l’extérieur tandis que σ2(τ) représente la chaleur que le conteneur de rétroaction 5 a restitué au conteneur d’hydrogène 2, par unité de A2.h2, sensiblement égal à A5.h5, égal à A.h.
La chaleur entrant dans le réservoir 1, chargeant une masse MHd’hydrogène liquide à la température de 30K et alimentant une pile à combustible contrôlée à une température de 300 K, correspond à la variation d’énergie interne ΔU d’une masse MHd’hydrogène, sensiblement égale à C.300.MH, où C est sensiblement égal à 11.65 kJ.kg-1.K-1et comprend la chaleur spécifique de l’hydrogène à volume constant Cv(300 K)= 10.17 kJ.kg-1.K-1ainsi que l’énergie cédée par l’évaporation égale à 445 kJ.kg-1, mais néglige l’énergie thermique introduite au moment de la charge environ 20 fois plus faible. Ainsi, la chaleur à fournir pour passer d’un état liquide à 30 K à un état gazeux de 300 K est d’environ 3.5 MJ/kg d’hydrogène. En comparant Q5à ΔU, le produith.τ s’exprime en fonction de la surface du réservoir par unité de masse d’hydrogène stocké : a = A/MH, selon la formule (3) suivante :
h.τ θ.(C/a)(3)
dans laquelle le paramètreacaractérise principalement le rapport surface/volume du réservoir 1. Plus la surface du réservoir est large, plus la durée de disposition énergétique est courte. En utilisant les valeurs numériques du modèle du réservoir 1 (dans lequel les inventeurs ont calculé queaest sensiblement égal à 0.2 m2/kg et C/a = 58 kJ.m-2.K-1) et en exprimant la durée en heures (notée τh), la conservation de l’énergie Q5= ΔU conduit à la relation (4) suivante :
h.τ h 18 θ(4)
Le facteur de rétroaction est déterminé par la géométrie du réservoir, principalement les volumes respectifs des compartiments et des bouchons 16, ainsi que par la porosité de chacun des bouchons 16. La valeur du facteur de rétroaction peut être préférentiellement comprise entre 2 et 5.
La conductivité thermiquehdépend de la géométrie et des matériaux des parois du conteneur d’hydrogène 2 et du conteneur de rétroaction 5. Si, par exemple, le matériau choisi pour les parois est tel que h = 4 W.m-2.K-1et que le réservoir 1 présente une valeur de rétroaction θ égal à 3, le réservoir 1 permet de disposer de l’énergie de 10,3 kg d’hydrogène pendant une période de τh 13 heures. Si, au contraire, la durée recherchée est fixée par une utilisation spécifique, par exemple la tournée d’un camion de livraison de 8 heures avec un réservoir dont les parois sont plutôt conductrices (h 9 W.m-2.K-1), alors le réservoir 1 peut être configuré de sorte à présenter un facteur de rétroaction θ égal à 4.
Les conséquences en termes de performances volumétriques et gravimétriques découlent des propriétés de rétroaction. Le dispositif permet de dévier une moitié de la chaleur entrante voire plus et donc de limiter la montée en pression. En conséquence les parois peuvent être plus légères et moins isolantes que dans les réservoirs connus de l’état de l’art. La performance gravimétrique (définie par : la masse d’hydrogène stocké/masse totale du réservoir) pourra approcher ou dépasser les 10 %.
La performance volumétrique est plus difficile à améliorer en termes d’amplitude. En effet, la masse d’hydrogène stocké par rapport au volume total doit avoisiner les 40-45 g/L pour interdire une montée en pression subite surtout pendant la première période. En revanche, le conteneur de rétroaction 5 permet de s’affranchir des formes sphériques ou cylindriques et d’adapter des réservoirs à la géométrie du véhicule. Il sera donc possible d’investir des formes plates, allongées et/ou courbes.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le réservoir 1 comprend un troisième conteneur entourant le conteneur de rétroaction 5 et présentant une entrée d’hydrogène gazeux et une sortie d’hydrogène gazeux, le troisième conteneur étant relié fluidiquement à la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction 5 par son entrée d’hydrogène gazeux, le chemin d’écoulement 8 étant également défini au travers du troisième conteneur depuis la sortie d’hydrogène gazeux du conteneur de rétroaction jusqu’à la sortie hydrogène gazeux du troisième conteneur, une partie du chemin d’écoulement 8 étant agencée dans le troisième conteneur et étant formée au moins en partie par une paroi 13 du conteneur de rétroaction 5. Ainsi, le conteneur de rétroaction 5 peut aussi être plongé dans un autre conteneur de rétroaction qui l’enveloppe, le chemin d’écoulement parcourt alors les espaces compris entre les conteneurs. Ainsi, il est possible de stocker une quantité d’énergie supérieure à celle stockée par un réservoir 1 sans troisième conteneur. Par extension, le réservoir 1 peut comprendre une pluralité de conteneurs, chacun des conteneurs enveloppants un autre conteneur de manière à définir le chemin d’écoulement 8 passant par l’ensemble des conteneurs, depuis le conteneur d’hydrogène 2 jusqu’à la sortie du réservoir 1. Par extension le réservoir 1 peut également comprendre des échangeurs de chaleur selon les modèles connus avec ou sans chicanes, ou déflecteurs, à passages simples ou multiples, longitudinaux, croisés ou hélicoïdaux, avec des écoulements parallèles ou opposés.

Claims (11)

  1. Réservoir (1) pour le stockage d’hydrogène et la fourniture d’hydrogène gazeux à une pile à combustible, comprenant :
    – un conteneur d’hydrogène (2) comprenant une entrée (3) adaptée pour recevoir de l’hydrogène fluide et préférentiellement liquide,
    le réservoir (1) étant caractérisé en ce que :
    – le conteneur d’hydrogène (2) comprend une sortie d’hydrogène gazeux (4),
    – le réservoir (1) comprend un conteneur de rétroaction (5), le conteneur de rétroaction (5) comprenant une entrée d’hydrogène gazeux (6) et une sortie d’hydrogène gazeux (7),
    le réservoir (1) comprenant un chemin d’écoulement (8) de l’hydrogène gazeux traversant le conteneur de rétroaction (5), le chemin d’écoulement (8) étant au moins défini depuis l’intérieur du conteneur d’hydrogène (2) jusqu’à la sortie d’hydrogène gazeux (7) du conteneur de rétroaction (5), une partie du chemin d’écoulement (8) étant agencée dans le conteneur de rétroaction (5) et étant formée au moins en partie par une paroi (9) du conteneur d’hydrogène (2).
  2. Réservoir (1) selon la revendication précédente, comprenant un troisième conteneur (10) présentant une entrée d’hydrogène gazeux (11) et une sortie d’hydrogène gazeux (12), le troisième conteneur (10) étant relié fluidiquement à la sortie d’hydrogène gazeux (7) du conteneur de rétroaction (5) par son entrée d’hydrogène gazeux (11), le chemin d’écoulement (8) étant également défini au travers du troisième conteneur (10) depuis la sortie d’hydrogène gazeux (7) du conteneur de rétroaction (5) jusqu’à la sortie hydrogène gazeux (12) du troisième conteneur (10), une partie du chemin d’écoulement (8) étant agencée dans le troisième conteneur (10) et étant formée au moins en partie par une paroi (13) du conteneur de rétroaction (5).
  3. Réservoir (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant des moyens de contrôle de l’écoulement gazeux, les moyens de contrôle de l’écoulement présentant une résistance hydrodynamique.
  4. Réservoir (1) selon la revendication 3, dans lequel les moyens de contrôle de l’écoulement comprennent des bouchons (16) de matériau poreux, agencés sur la totalité d’une section de l’écoulement, et/ou préférentiellement des chicanes et/ou des échangeurs de chaleur.
  5. Réservoir (1) selon la revendication 4, dans lequel le matériau poreux d’au moins l’un des bouchons (16) est adapté à catalyser de l’hydrogène para en hydrogène ortho.
  6. Réservoir (1) selon la revendication 5, dans lequel le matériau poreux d’au moins l’un des bouchons (16) présente une surface imprégnée d’ions magnétiques adaptés à catalyser de l’hydrogène para en hydrogène ortho.
  7. Réservoir (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dont la masse totale ne dépasse pas onze fois la masse d’hydrogène stocké.
  8. Système (22) de production d’électricité comprenant une pile à combustible (23) et un réservoir (1) selon l’une des revendications 1 à 7, la pile à combustible (23) comprenant une entrée d’hydrogène fluide et dans lequel la sortie d’hydrogène gazeux (7) du conteneur de rétroaction (5) est reliée à l’entrée d’hydrogène gazeux de la pile à combustible (23).
  9. Station de production d’électricité fixe, ou véhicule de transport (terrestre, naval ou aérien) équipé d’un moteur électrique, alimentée par un système (8) de production d’électricité selon la revendication 8.
  10. Procédé de production d’hydrogène gazeux, comprenant au moins les étapes :
    a) d’introduction d’hydrogène fluide, préférentiellement liquide, dans le conteneur d’hydrogène (2) d’un réservoir (1) selon l’une de revendications 1 à 7,
    b) d’écoulement de l’hydrogène gazeux depuis la sortie du conteneur d’hydrogène (2) vers la sortie d’hydrogène gazeux (7) du (ou des) conteneur de rétroaction (5).
  11. Procédé de montage d’un réservoir (1) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes successives :
    a) d’insertion d’un conteneur d’hydrogène (2) et d’un bouchon (16) poreux magnétique dans un support-espaceur (20) muni d’un tube de charge,
    b) d’insertion de cet ensemble dans le corps du conteneur de rétroaction (5),
    c) d’insertion de bouchons poreux ainsi que leurs supports-espaceurs (20 et 22) autour du réservoir d’hydrogène,
    d) de fermeture du dernier conteneur de rétroaction par un couvercle (24) comportant une sortie.
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