FR3123707A1 - Procédé et système de pressurisation d’hydrogène gazeux - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de pressurisation d’hydrogène gazeux comprenant les étapes suivantes : la fourniture d’un premier réservoir (1) apte à recevoir de l’hydrogène gazeux sous pression,la compression d’hydrogène gazeux dans ledit premier réservoir (1) à une première pression, le refroidissement de hydrogène gazeux comprimé à une première température,le transfert par équilibrage de pression d’une partie de l’hydrogène gazeux dudit premier réservoir (1) vers au moins un second réservoir (2), la fermeture hermétique de l’au moins un second réservoir, l’augmentation de la pression dans le second réservoir par échauffement de l’hydrogène présent dans le second réservoir à une seconde température supérieure à la première température. Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Procédé et système de pressurisation d’hydrogène gazeux
La présente invention concerne un procédé et un système de pressurisation d’hydrogène gazeux.
Etat de la technique
Un système de stockage et de distribution d’hydrogène gazeux pour véhicules à pile à combustible doit permettre de remplir des réservoirs à une pression de 350 ou 700 bar ou plus.
Dans un tel système, on injecte typiquement de l’hydrogène liquide dans un réservoir d’expansion. Les parois du réservoir d’expansion étant à une température supérieure à celle de l’hydrogène liquide, ledit hydrogène se vaporise instantanément. Par conséquent, la pression à l’intérieur du réservoir augmente rapidement et rend le remplissage en liquide difficile.
Le remplissage d’un tel réservoir sous pression est typiquement effectué à partir d’un réservoir de stockage d’hydrogène gazeux, en compressant l’hydrogène gazeux avec plusieurs étages de compression, nécessitant chacun un compresseur de gaz. L’installation des différents niveaux de pression est complexe et onéreuse.
Une autre technique consiste à utiliser un compresseur liquide à haute pression. Un tel compresseur, adapté à supporter des pressions intermédiaires élevées, est un composant également complexe et onéreux.
Un but de l’invention est de mettre à disposition un procédé et un système de pressurisation et de refroidissement pour une station de remplissage d’hydrogène gazeux apte à comprimer de l’hydrogène gazeux à des pressions supérieures à 200 bar à partir d’un réservoir d’hydrogène gazeux.
A cet effet, l’invention propose un procédé de pressurisation d’hydrogène gazeux comprenant les étapes suivantes :
  • la fourniture d’un premier réservoir apte à recevoir de l’hydrogène gazeux sous pression,
  • la compression d’hydrogène gazeux dans ledit premier réservoir à une première pression,
  • le refroidissement de hydrogène gazeux comprimé à une première température,
  • le transfert par équilibrage de pression d’une partie de l’hydrogène gazeux dudit premier réservoir vers au moins un second réservoir,
  • la fermeture hermétique de l’au moins un second réservoir,
  • l’augmentation de la pression dans le second réservoir par échauffement de l’hydrogène présent dans le second réservoir à une seconde température supérieure à la première température.
Le système n’utilise pas d’hydrogène liquide.
Dans certains modes de réalisation, l’hydrogène gazeux est refroidi à la première température dans le premier réservoir. De préférence, le premier réservoir est refroidi par un fluide cryogénique. Le fluide cryogénique est de l’azote liquide ou du méthane liquide ou du gaz naturel liquéfié.
Dans d’autres modes de réalisation, l’hydrogène gazeux est refroidi à la première température par un échangeur thermique agencé en amont du premier réservoir. Dans ces modes de réalisation, le premier réservoir comprend une isolation thermique.
De préférence, la pression maximale dans le premier réservoir est comprise entre 500 et 600 bar. La pression maximale dans au moins un second réservoir est comprise entre 1000 et 1500 bar.
De manière avantageuse, au moins un second réservoir présente un volume inférieur au volume du premier réservoir. De manière particulièrement avantageuse, le volume d’au moins un second réservoir est compris entre 40% et 60% du volume du premier réservoir.
Avantageusement, la seconde température est comprise entre - 40°C et 25°C.
Dans certains modes de réalisation, le procédé de pressurisation d’hydrogène gazeux comprend une étape de chauffage dans au moins un second réservoir.
Dans certains modes de réalisation, un second réservoir est un réservoir d’un véhicule.
L’invention se rapporte aussi à un système de pressurisation d’hydrogène comprenant :
  • un premier réservoir adapté pour recevoir de l’hydrogène gazeux sous pression,
  • un dispositif de refroidissement apte à refroidir l’hydrogène gazeux à une première température,
  • un compresseur de gaz adapté pour comprimer de l’hydrogène gazeux dans ledit premier réservoir,
  • une connexion fluidique adaptée pour établir sélectivement une liaison fluidique entre le premier réservoir et un second réservoir de manière à transférer de l’hydrogène gazeux sous pression du premier réservoir vers le second réservoir par équilibrage de pression, ledit second réservoir étant apte à être fermé hermétiquement et à être à une seconde température supérieure à la première température du premier réservoir.
Dans certains modes de réalisation, le premier réservoir est immergé dans le fluide cryogénique à la première température.
Dans d’autres modes de réalisation, le premier réservoir comprend des conduits aptes à contenir le fluide cryogénique de manière à refroidir le premier réservoir à la première température. De préférence, le système comprend un isolant thermique agencé à l’extérieur des conduits.
Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif de refroidissement est un échangeur thermique agencé en amont du premier réservoir.
De manière avantageuse, au moins un second réservoir comprend un dispositif de chauffage. De manière particulièrement avantageuse, le dispositif de chauffage comprend des conduits agencés pour la circulation d’un gaz à une température supérieure ou égale à la seconde température. De préférence, le gaz est de l’azote ou de l’hélium.
Avantageusement, l’au moins un second réservoir comprend en outre un dispositif d’isolation thermique.
L’invention se rapporte aussi à une station de remplissage de véhicules en hydrogène gazeux, comprenant un système un système de pressurisation d’hydrogène, l’au moins un second réservoir étant un réservoir d’un véhicule à remplir en hydrogène gazeux.
 
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La est un schéma de la première partie du système de pressurisation
La est un schéma d’un autre mode de réalisation de la première partie du système de pressurisation.
La est un schéma d’un mode de réalisation de la deuxième partie du système de pressurisation.
La est un schéma d’un deuxième mode de réalisation de la deuxième partie du système de pressurisation.
La est un schéma d’un troisième mode de réalisation de la deuxième partie du système de pressurisation.
Description détaillée de modes de réalisation
La illustre un mode de réalisation d’une première partie d’un système de pressurisation d’hydrogène gazeux selon l’invention.
Un tel système comprend un premier réservoir 1 ayant un premier volume, adapté pour recevoir de l’hydrogène gazeux sous pression. Le système comprend en outre un dispositif de refroidissement apte à refroidir l’hydrogène gazeux compris dans ledit premier réservoir 1 à une première température qui est typiquement comprise entre 75 K et 115 K. De manière avantageuse, le premier réservoir 1 refroidi par un fluide cryogénique 30 qui est par exemple de l’azote liquide ou du méthane liquide ou du gaz naturel liquéfié.
Dans certains modes de réalisation, le premier réservoir est immergé dans le fluide cryogénique 30 à la première température dans un cryostat 3.
De manière alternative, le premier réservoir 1 comprend des conduits aptes à contenir le fluide cryogénique de manière à refroidir le premier réservoir 1 à la première température. Ledit premier réservoir 1 peut comprendre une isolation thermique agencé à l’extérieur des conduits ou du cryostat.
Selon d’autres modes de réalisation, en référence à la , le dispositif de refroidissement est un échangeur thermique 72 agencé en amont du premier réservoir. Ledit échangeur thermique 72 est en échange thermique avec un liquide cryogénique 73 dans un cryostat 71. De préférence, l’échangeur thermique est immergé dans le liquide cryogénique 73. Ledit liquide cryogénique est par exemple de l’azote liquide ou du méthane liquide ou du gaz naturel liquéfié.
Dans certains modes de réalisation, le premier réservoir 1 comprend une isolation thermique 9 apte à isoler thermiquement le premier réservoir 1 et/ou le dispositif de refroidissement.
Le système de pressurisation d’hydrogène gazeux comprend en outre un compresseur de gaz 4 adapté pour comprimer de l’hydrogène gazeux dans ledit premier réservoir à partir d’une source d’hydrogène gazeux. Ladite source d’hydrogène gazeux est typiquement un réservoir de stockage 5 comprenant de l’hydrogène gazeux 8 sous pression qui est typiquement entre 20 et 200 bar. De manière alternative, la source d’hydrogène gazeux est un électrolyseur, l’hydrogène pouvant être à une pression comprise entre 20 et 50 bar. L’hydrogène gazeux 8 est à une seconde température supérieure à la première température. Typiquement, la seconde température est proche de la température ambiante qui est d’environ 230 K - 330 K.
Le système comprend en outre des conduits 54, 43 agencés pour établir une liaison fluidique entre la source d’hydrogène gazeux 5, le compresseur de gaz 4 et le premier réservoir 1 de manière à transférer de l’hydrogène gazeux sous pression de la source d’hydrogène gazeux vers le premier réservoir 1. Le système comprend au moins une vanne 11 apte à fermer hermétiquement le réservoir 1.
En référence à la , le système de pressurisation d’hydrogène gazeux comporte en outre un second réservoir 2 présentant une troisième température supérieure à la première température. La troisième température est typiquement comprise entre 230 K et 330 K. Dans certains modes de réalisation, la troisième température est identique à la seconde température.
Le second réservoir 2 peut comporter un dispositif de chauffage. De manière illustrative et non limitative, ledit dispositif de chauffage peut comprendre des conduits agencés pour la circulation d’un gaz à une température supérieure ou égale à la seconde température. De préférence, ledit gaz est de l’azote ou de l’hélium. Quand le second réservoir 2 comporte un dispositif de chauffage, ledit second réservoir 2 comprend avantageusement une isolation thermique apte à maintenir l’hydrogène présent dans ledit second réservoir 2 à la troisième température.
De manière avantageuse, ledit second réservoir 2 présente un second volume inférieur au premier volume du premier réservoir 1. Selon un exemple illustratif et non limitatif, le volume du second réservoir 2 peut être compris entre 40% et 60% du volume du premier réservoir 1.
Le système comprend en outre un conduit 12 agencé pour établir une liaison fluidique entre le premier réservoir 1 et le second réservoir 2 de manière à transférer de l’hydrogène gazeux sous pression du premier réservoir 1 vers le second réservoir 2 par équilibrage de pression, et une vanne 22 agencée pour fermer hermétiquement ledit second réservoir 2.
Un tel système peut être utilisé dans une station de remplissage de véhicules en hydrogène gazeux.
Dans un mode de réalisation, en référence à la , le second réservoir 2 est un réservoir d’un véhicule à remplir en hydrogène gazeux.
Dans certains modes de réalisation, en référence à la , on ajoute des réservoirs supplémentaires pour réaliser plusieurs étages de compression. Dans ce cas, le système comprend plusieurs seconds réservoirs 2A, 2B, 2C, 2D. Le nombre de seconds réservoirs est indiqué à titre purement illustratif et non limitatif. Le nombre des seconds réservoirs 2A, 2B, 2C, 2D est typiquement compris entre 2 et 5 et peut être plus élevé dans certains modes de réalisation.
Le nombre des seconds réservoirs 2A-2D dépend de la capacité des réservoirs, de la place à disposition, et du cycle d’utilisation du système de pressurisation, notamment de la quantité d’hydrogène à distribuer et du nombre de remplissages journaliers, des pressions maximales des réservoirs à remplir (350 ou 700 bar ou une autre pression), du choix des pressions maximales admissibles dans les seconds réservoirs 2A-2D et de la pression effective restante dans les réservoirs devant être remplis.
Le volume de chaque second réservoir 2A, 2B, 2C, 2D est de préférence inférieur au volume du premier réservoir 1 mais peut être identique. De manière alternative, au moins deux réservoirs peuvent avoir un volume différent l’un de l’autre.
Le système comprend en outre un conduit 12A, 12B, 12C, 12D, agencé pour établir une liaison fluidique entre le premier réservoir 1 et le second réservoir 2A-2D respectif, de manière à transférer de l’hydrogène gazeux sous pression du premier réservoir 1 vers le second réservoir 2 par équilibrage de pression, et une vanne 22A, 22B, 22C, 22D agencée pour fermer hermétiquement le second réservoir 2A-2D respectif.
Les réservoirs 2A-2D présentent chacun une troisième température supérieure à la première température. La troisième température est typiquement comprise entre 230 K et 330 K. La troisième température peut être identique à la seconde température. Dans certains modes de réalisation, la troisième température de chaque réservoir 2A-2D est identique. De manière alternative, au moins deux réservoirs 2A-2D peuvent présenter une température différente.
Chaque second réservoir 2A-2D peut comporter un dispositif de chauffage. De manière illustrative et non limitative, lesdits dispositifs de chauffage peuvent comprendre des conduits agencés pour la circulation d’un gaz à une température supérieure ou égale à la seconde température. De préférence, ledit gaz est de l’azote ou de l’hélium. Quand au moins un second réservoir 2A-2D comporte un dispositif de chauffage, le second réservoir 2A-2D respectif comprend avantageusement une isolation thermique apte à maintenir l’hydrogène présent dans ledit second réservoir 2A-2D à la troisième température. Quand le système comprend plusieurs seconds réservoirs 2A-2D, ledit système comprend en outre un compresseur de gaz 7 agencé de manière à prélever de l’hydrogène gazeux d’un réservoir 2A-2D et comprimer ledit hydrogène gazeux dans un autre des réservoirs 2A-2D par l’intermédiaire des conduits 27A-27D et des vannes 77A-77D.
On va maintenant décrire le procédé de pressurisation d’hydrogène par un système de pressurisation d’hydrogène gazeux tel que décrit ci-dessus.
La première étape consiste à transférer de l’hydrogène gazeux 8 d’une source d’hydrogène gazeux 5 dans le premier réservoir 1, en comprimant ledit hydrogène gazeux 8 par l’intermédiaire du compresseur de gaz 4. L’hydrogène gazeux est refroidi à la première température pendant le remplissage, soit à l’intérieur du premier réservoir 1, soit par l’intermédiaire d’un dispositif de refroidissement agencé en amont du premier réservoir 1. A l’issue de ladite première étape, le premier réservoir 1 est rempli de l’hydrogène gazeux à la première température à une première pression qui est typiquement comprise entre 500 et 600 bar.
Quand le remplissage est terminé, la vanne 11 est fermée afin de couper la liaison fluidique entre la source d’hydrogène liquide et de fermer hermétiquement le premier réservoir 1.
Par la suite, on ouvre la vanne 22 et on transfère une partie de l’hydrogène gazeux dudit premier réservoir 1 vers le second réservoir 2 par équilibrage de pression. Pendant cette étape, l’hydrogène gazeux transféré est à une température proche de la première température. Quand le second réservoir 2 présente un volume inférieur au volume du premier réservoir 1, la pression après l’étape de transfert reste élevée ce qui permet d’augmenter l’efficacité du système de pressurisation.
Quand les pressions du premier réservoir 1 et du second réservoir 2 sont égales à une pression d’équilibre, on ferme la vanne 22, fermant ainsi hermétiquement le second réservoir 2. L’hydrogène gazeux transféré dans le second réservoir 2 est chauffée à la troisième température du second réservoir 2. Le chauffage peut être effectué par échange thermique avec l’environnement, ou par un dispositif de chauffage.
L’énergie apportée par l’environnement plus chaud que l’hydrogène gazeux permet d’effectuer une auto-pressurisation de de l’hydrogène gazeux dans le second réservoir 2. L’hydrogène gazeux dans le second réservoir 2 est ensuite à une seconde pression qui est supérieure à la première pression dans le premier réservoir 1 et supérieure à la pression d’équilibre. Ladite seconde pression est typiquement comprise entre 1000 et 1500 bar.
L’hydrogène gazeux sous pression dans le second réservoir 2 peut ensuite être utilisé pour le remplissage d’un ou plusieurs véhicules à pile à combustible (le réservoir 2 pouvant être lui-même un réservoir du véhicule) ou pour d’autres applications.
Dans le cas où le second réservoir 2 est le réservoir d’un véhicule, la seconde pression est typiquement de 700 bar selon les normes en vigueur. L’hydrogène peut alors être directement utilisé dans le véhicule. Des valeurs de pression plus élevées peuvent être obtenues et mises en œuvre dans le cas d’une évolution des normes concernant les véhicules à pile à combustible.
Dans le cas où le système comprend plusieurs seconds réservoirs 2A, 2B, 2C, 2D, on remplit chaque second réservoir 2A-2D à partir du premier réservoir tel que décrit ci-dessus.
Le gaz sous pression dans les seconds réservoirs 2A-2D peut ensuite être utilisé pour alimenter une application en hydrogène gazeux sous pression. L’alimentation est effectuée par équilibrage de pressions entre successivement un ou plusieurs des réservoirs 2A-2D et le réservoir de l’application à remplir.
On utilise en priorité le second réservoir 2A-2D ayant la plus basse pression. Quand la pression d’équilibre entre ledit second réservoir 2A-2D ayant la plus basse pression et le réservoir du véhicule est atteinte, on continue le remplissage à partir du second réservoir 2A-2D présentant la pression la plus basse supérieure à ladite pression d’équilibre. Ainsi on augmente progressivement la pression de remplissage et on utilise le second réservoir 2A-2D présentant la plus haute pression d’hydrogène en dernier.
Après la distribution de l’hydrogène gazeux, le second réservoir 2A-2D ayant la pression la plus faible sera utilisé pour un nouveau remplissage d’hydrogène gazeux froid à partir du premier réservoir 1. Ainsi les seconds réservoirs 2A-2D sont remplis à tour de rôle, lorsqu’ils atteignent une pression trop faible pour pouvoir être utilisés pour la distribution d’hydrogène gazeux.
Lorsqu’un réservoir a une pression trop faible pour l’utilisation de distribution de gaz mais trop forte pour être rempli d’hydrogène gazeux refroidi à partir du premier réservoir 1, on utilise le compresseur de gaz 7 pour baisser la pression dudit réservoir et transférer la vapeur à un réservoir à plus haute pression. Lorsque la pression devient plus faible que la pression du premier réservoir 1 contenant l’hydrogène gazeux froid, le transfert dudit hydrogène gazeux froid peut être effectué comme dans le remplissage initial.
Ainsi les réservoirs 2A-2D sont remplis à tour de rôle, lorsqu’ils atteignent une pression faible pour pouvoir être utilisés pour la distribution d’hydrogène gazeux.

Claims (23)

  1. Procédé de pressurisation d’hydrogène gazeux comprenant les étapes suivantes :
    • la fourniture d’un premier réservoir (1) apte à recevoir de l’hydrogène gazeux sous pression,
    • la compression d’hydrogène gazeux dans ledit premier réservoir (1) à une première pression,
    • le refroidissement de hydrogène gazeux comprimé à une première température,
    • le transfert par équilibrage de pression d’une partie de l’hydrogène gazeux dudit premier réservoir (1) vers au moins un second réservoir (2),
    • la fermeture hermétique de l’au moins un second réservoir,
    • l’augmentation de la pression dans le second réservoir par échauffement de l’hydrogène présent dans le second réservoir à une seconde température supérieure à la première température.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’hydrogène gazeux est refroidi à la première température dans le premier réservoir.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le premier réservoir est refroidi par un fluide cryogénique.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le fluide cryogénique est de l’azote liquide ou du méthane liquide ou du gaz naturel liquéfié.
  5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’hydrogène gazeux est refroidi à la première température par un échangeur thermique agencé en amont du premier réservoir.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le premier réservoir comprend une isolation thermique (9).
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pression maximale dans le premier réservoir est comprise entre 500 et 600 bar.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pression maximale dans au moins un second réservoir est comprise entre 1000 et 1500 bar.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins un second réservoir présente un volume inférieur au volume du premier réservoir.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le volume d’au moins un second réservoir est compris entre 40% et 60% du volume du premier réservoir.
  11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la seconde température est comprise entre - 40°C et 25°C.
  12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant une étape de chauffage dans au moins un second réservoir.
  13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel un second réservoir est un réservoir d’un véhicule.
  14. Système de pressurisation d’hydrogène comprenant :
    • un premier réservoir adapté pour recevoir de l’hydrogène gazeux sous pression,
    • un dispositif de refroidissement apte à refroidir l’hydrogène gazeux à une première température,
    • un compresseur de gaz adapté pour comprimer de l’hydrogène gazeux dans ledit premier réservoir,
    • une connexion fluidique adaptée pour établir sélectivement une liaison fluidique entre le premier réservoir et un second réservoir de manière à transférer de l’hydrogène gazeux sous pression du premier réservoir vers le second réservoir par équilibrage de pression, ledit second réservoir étant apte à être fermé hermétiquement et à être à une seconde température supérieure à la première température du premier réservoir.
  15. Système selon la revendication 14, dans lequel le premier réservoir est immergé dans le fluide cryogénique à la première température.
  16. Système selon la revendication 14, dans lequel le premier réservoir comprend des conduits aptes à contenir le fluide cryogénique de manière à refroidir le premier réservoir à la première température.
  17. Système selon la revendication 16, comprenant un isolant thermique agencé à l’extérieur des conduits.
  18. Système selon la revendication 14, dans lequel le dispositif de refroidissement est un échangeur thermique agencé en amont du premier réservoir.
  19. Système selon l’une des revendications 14 à 18, dans lequel au moins un second réservoir comprend un dispositif de chauffage.
  20. Système selon la revendication 19, dans lequel le dispositif de chauffage comprend des conduits agencés pour la circulation d’un gaz à une température supérieure ou égale à la seconde température.
  21. Système selon la revendication 20, dans lequel le gaz est de l’azote ou de l’hélium.
  22. Système selon l’une des revendications 14 à 21, dans lequel l’au moins un second réservoir comprend en outre un dispositif d’isolation thermique.
  23. Station de remplissage de véhicules en hydrogène gazeux, comprenant un système selon l’une des revendications 14 à 18, l’au moins un second réservoir étant un réservoir d’un véhicule à remplir en hydrogène gazeux.
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