FR3139174A1 - Réservoir d’hydrogène à haute pression - Google Patents

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Christophe Baverel
David FARALDI
Dorian HERNANDEZ
Robert Tie Bi
Marc MORET
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Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Abstract

Réservoir d’hydrogène à haute pression Procédé de fabrication d’un réservoir (10) de gaz, en particulier d’hydrogène, haute pression, comportant les étapes suivantes :a) déposer, notamment par drapage, au moins une première enveloppe (5) en matériau composite à matrice thermoplastique sur un liner (1) étanche audit gaz, notamment à l’hydrogène, présentant au moins deux parois principales (2) opposées reliées par des puits (4) traversants, de manière à recouvrir extérieurement au moins les parois principales (2) opposées,b) engager des rivets (15) en matériau composite à matrice thermoplastique dans des puits (14) traversants du liner (1) à travers la première enveloppe (5), avant consolidation de celle-ci,c) élargir par thermoformage au moins une extrémité (21) des rivets (15) émergeant des puits (4) traversants, de préférence leurs deux extrémités (21), de manière à former des extrémités élargies (16) capables de reprendre au moins une partie des efforts de pression s’exerçant sur les parois principales (2) opposées du liner (1). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Réservoir d’hydrogène à haute pression
La présente invention concerne le stockage de gaz à haute pression, notamment d’hydrogène, notamment pour les secteurs du transport, dont les secteurs automobile et aéronautique. En particulier, la présente invention concerne un réservoir de gaz, notamment d’hydrogène, à haute pression et un procédé de fabrication d’un tel réservoir.
Pour stocker de l’hydrogène à haute pression, notamment à des pressions supérieures à 500 bar, il est connu d’utiliser un réservoir de forme cylindrique.
Cependant, dans un véhicule automobile, la place disponible pour loger un réservoir cylindrique de grand diamètre est limitée, sauf à empiéter sur les volumes disponibles pour l’habitacle ou le coffre, ce qui n’est pas souhaitable.
Il a été proposé de réaliser le réservoir d’hydrogène avec une forme générale parallélépipédique pour faciliter son intégration dans le véhicule sous le plancher de l’habitacle.
Cependant, une telle forme de réservoir produit des contraintes mécaniques qui tendent à limiter la pression de stockage.
WO 2021/255041 décrit un réservoir d’hydrogène sous pression en matériau composite de forme générale parallélépipédique, comportant un liner présentant des parois principales opposées reliées par des puits dans lesquels sont insérés des éléments de renfort à base de fibres continues, telles que des fibres de carbone imprégnées de résine dont les extrémités sont déployées et fixées sur la surface extérieure des parois principales. Une enveloppe en matériau composite recouvre les extrémités déployées, cette enveloppe étant mise en place et réticulée après l’insertion des éléments de renfort dans les puits. Un insert est disposé au centre de la partie déployée. Un disque de blocage recouvre l’insert. Une couche de renfort intermédiaire peut être appliquée sur le liner avant le déploiement de l’élément de renfort.
Le procédé de fabrication d’un tel réservoir fait intervenir un grand nombre de pièces et d’étapes, ce qui le rend relativement complexe et coûteux.
Il demeure ainsi un besoin d’améliorer les réservoirs d’hydrogène en matériaux composites, notamment ceux convenant à une application automobile, ainsi que leur procédé de fabrication.
La présente invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient grâce à, selon un premier de ses aspects, un procédé de fabrication d’un réservoir de gaz, notamment d’hydrogène, haute pression.
Procédé de fabrication
Ce procédé selon le premier aspect de l’invention comporte les étapes suivantes :
a) déposer, notamment par drapage, au moins une première enveloppe en matériau composite à matrice thermoplastique sur un liner étanche audit gaz, notamment à l’hydrogène, présentant au moins deux parois principales opposées reliées par des puits traversants, de manière à recouvrir extérieurement au moins les parois principales opposées,
b) engager des rivets en matériau composite à matrice thermoplastique dans les puits traversants du liner à travers la première enveloppe, avant consolidation de celle-ci,
c) élargir par thermoformage au moins une extrémité des rivets émergeant des puits traversants, de préférence leurs deux extrémités, de manière à former des extrémités élargies capables de reprendre au moins une partie des efforts de pression s’exerçant sur les parois principales opposées du liner.
Un tel procédé permet de fabriquer relativement aisément un réservoir d’hydrogène permettant un stockage à haute pression, notamment à 350 bar ou plus. En effet, les rivets permettent de reprendre une partie importante des contraintes mécaniques de pression qui s’exercent sur les parois principales opposées.
La formation des extrémités élargies des rivets s’effectuant par thermoformage, l’industrialisation du procédé est facilitée, et l’opération peut aisément être automatisée. De plus, l’insertion des rivets s’effectuant à travers la première enveloppe avant consolidation de celle-ci, la mise en place de cette première enveloppe sur le liner est facilitée, car non gênée par la présence des rivets. Les fibres de la première enveloppe s’écartent d’elles-mêmes sous l’effet de la mise en place des rivets à travers la première enveloppe.
On peut déposer au cours du procédé, notamment par drapage, au moins une deuxième enveloppe en matériau composite, recouvrant extérieurement au moins une paroi périphérique reliant les parois principales opposées à leur périphérie et se superposant au moins partiellement à la première enveloppe et à une pluralité de puits traversants du liner.
L’engagement des rivets dans les puits peut ainsi se faire en pénétrant la première enveloppe et, le cas échéant, la deuxième enveloppe. Cela permet aux rivets d’exercer une fonction supplémentaire de connexion mécanique des première et deuxième enveloppes entre elles.
Le procédé peut comporter une étape de fabrication et/ou de fourniture des rivets.
Les rivets peuvent être fabriqués par pultrusion de fibres longues imprégnées d’un matériau polymère thermoplastique. La fabrication par pultrusion facilite l’industrialisation des rivets. De plus, par ce procédé, les fibres des rivets sont correctement tendues et parallèles entre elles, ce qui donne aux rivets une bonne résistance mécanique.
Les rivets fabriqués peuvent avoir, sur au moins 50% de leur longueur, une section circulaire.
Les rivets peuvent avoir, avant thermoformage, une plus grande section dont le diamètre du cercle circonscrit est compris entre 4 et 25 mm, notamment entre 10 et 15 mm.
Les rivets peuvent également comporter des portions de section non circulaire.
Les rivets peuvent comporter, avant engagement dans les puits, une plus grande section comprise entre 1 et 1,1, notamment entre 1 et 1,05 fois la section des puits afin d’avoir un montage à force des rivets dans les puits.
De préférence, l’extrémité des rivets par laquelle ceux-ci sont insérés dans les puits traversants présente une forme effilée, notamment une forme en biseau ou en pointe. Une telle forme facilite la pénétration du rivet à travers la première enveloppe et, le cas échéant, à travers la deuxième enveloppe précitée.
L’étape de thermoformage peut être réalisée à l’aide d’un outil, notamment une sonotrode, permettant l’application d’une pression sur l’extrémité d’un rivet simultanément au chauffage de cette extrémité.
La sonotrode peut comporter une tête avec une pointe centrale. Une telle tête peut permettre, lors du thermoformage, d’écarter les fibres du rivet et ainsi d’élargir plus facilement l’extrémité du rivet.
Chaque rivet a une longueur supérieure à la longueur du puits dans lequel il est engagé avant thermoformage.
Après le thermoformage, les extrémités élargies des rivets peuvent avoir une forme épousant sensiblement celle de la surface extérieure du liner dans la zone bordant le puits traversant.
Le procédé peut comporter une étape d’imprégnation d’un matériau polymère, de préférence thermoplastique, notamment dans un moule, de l’ensemble formé par le liner, les rivets, la première enveloppe et, le cas échéant, la deuxième enveloppe. Cette étape peut permettre de consolider l’ensemble des éléments de manière à former le réservoir.
Réservoir d’hydrogène à enveloppes se recouvrant
L’invention a encore pour objet, selon un deuxième de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un réservoir de gaz, notamment d’hydrogène, à haute pression, notamment obtenu selon le procédé défini précédemment, comportant :
- un liner étanche audit gaz, notamment à l’hydrogène, présentant au moins deux parois principales opposées, des puits traversants reliant ces parois principales et une paroi périphérique reliant les parois principales opposées à leur périphérie,
- au moins une première enveloppe en matériau composite recouvrant extérieurement au moins les parois principales opposées du liner,
- au moins une deuxième enveloppe en matériau composite recouvrant extérieurement au moins la paroi périphérique et se superposant au moins partiellement à la première enveloppe et à une pluralité de puits traversants du liner,
- des rivets en matériau composite engagés chacun dans un puits correspondant de ladite pluralité et à travers les première et deuxième enveloppes et présentant des extrémités élargies.
La deuxième enveloppe permet de reprendre les efforts mécaniques aux jonctions entre la paroi périphérique et les parois principales opposées, zones où les contraintes mécaniques sont particulièrement importantes.
Réservoir d’hydrogène renforcé par rivets
L’invention a encore pour objet, selon un troisième de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un réservoir de gaz, notamment d’hydrogène, à haute pression, notamment obtenu selon le procédé défini précédemment, comportant :
- un liner étanche audit gaz, notamment à l’hydrogène, présentant au moins deux parois principales opposées et des puits traversants reliant ces parois principales,
- au moins une première enveloppe en matériau composite à matrice thermoplastique recouvrant extérieurement au moins les parois principales opposées du liner,
- des rivets en matériau composite à matrice thermoplastique engagés chacun dans un puits correspondant du liner et présentant au moins une extrémité élargie thermoformée après traversée d’au moins la première enveloppe, de manière à reprendre au moins une partie des efforts de pression s’exerçant sur les parois principales opposées du liner.
Comme expliqué plus haut, les rivets qui présentent au moins une extrémité élargie thermoformée permettent une reprise importante des contraintes de pression s’exerçant sur les deux parois principales opposées.
De plus, le thermoformage des extrémités des rivets permet d’assurer la reprise des efforts mécaniques, ce qui autorise le stockage haute pression, notamment à des pressions supérieures à 350 bar, notamment à 700 bar, tout en résistant à des pressions 2,5 fois supérieures à la pression de stockage, soit 1750 bar, afin de respecter les normes de sécurité en vigueur.
Le réservoir selon le deuxième ou le troisième aspect de l’invention peut présenter tout ou partie des caractéristiques énoncées ci-dessus en lien avec le procédé et des caractéristiques suivantes.
Enveloppes
Le liner peut comporter, comme mentionné plus haut, une paroi périphérique reliant les parois principales opposées à leur périphérie, la première enveloppe recouvrant notamment entièrement la paroi périphérique.
De préférence, le réservoir comporte au moins une deuxième enveloppe en matériau composite recouvrant extérieurement au moins la paroi périphérique du liner et se superposant au moins partiellement à la première enveloppe et à une pluralité de puits traversants du liner. La deuxième enveloppe peut ainsi recouvrir partiellement les parois principales opposées. La deuxième enveloppe peut notamment recouvrir extérieurement la première enveloppe. La deuxième enveloppe permet de reprendre les efforts mécaniques aux jonctions entre la paroi périphérique et les parois principales opposées, zones où les contraintes mécaniques sont particulièrement importantes.
La première enveloppe peut avoir une épaisseur comprise entre 3 et 30mm notamment entre 5 et 15 mm.
La deuxième enveloppe peut avoir une épaisseur comprise entre 2 et 40 mm notamment entre 3 et 30 mm.
La première et/ou la deuxième enveloppe peuvent comporter des fibres longues.
La première et/ou la deuxième enveloppe peuvent comporter des fibres écartées au niveau des rivets, l’écartement des fibres d’une enveloppe résultant de l’insertion du rivet à travers l’enveloppe.
La première et/ou la deuxième enveloppe peuvent comporter des fibres choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone, les fibres Kevlar®, les fibres de verre, les fibres de céramique, les fibres de matériau polymère, par exemple thermoplastique, notamment les fibres d’aramide ou de polyester, les fibres d’origine végétale, notamment les fibres de lin, les fibres métalliques, les fibres étant de préférence des fibres de carbone, ou un mélange de telles fibres.
La matrice thermoplastique de la première et/ou deuxième enveloppe peut être réalisée à partir d’au moins un polymère thermoplastique choisi dans le groupe constitué par les polyoléfines, notamment le polypropylène, les polyamides, notamment les polyamides aliphatiques, tels que le polycaprolactame PA 6, le polyhexaméthylène adipamide PA 6.6, les polycarbonates, les PAEK (Polyaryléthercétone) dont font partie le PEEK (polyétheréthercétone) et le PEKK (polyéthercétonecétone), les matières sur base acrylique type PMMA (polyméthacrylate de méthyle) (notamment la résine connue sous le nom d’ELIUM®), les PEI (Polyétherimide également connu sous le nom d’ULTEM®), le PPS (Polysulfure de phénylène), l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le PLA (acide polylactique), le TPU (polyuréthane thermoplastique) et le PET (polyéthylène), et leurs mélanges.
De préférence, la matrice de la ou des enveloppes est choisie pour être compatible avec la matrice des rivets, étant par exemple de la même famille chimique ou identique.
La première et/ou la deuxième enveloppe peuvent être réalisées avec une pluralités de couches superposées, notamment entre 2 et 50 couches.
Liner
Les parois principales opposées du liner peuvent être sensiblement parallèles entre elles.
La densité surfacique de puits sur les parois principales opposées peut être comprise entre 1 puits/dm² (pour des rivets de diamètre 25mm par exemple) et 43 puits/dm² (pour des rivets de diamètre 4mm par exemple).
La paroi périphérique du liner peut avoir une forme courbe en section, notamment une forme convexe vers l’extérieur, par exemple sensiblement hémicirculaire en section. Une telle forme favorise la résistance mécanique aux contraintes de pression.
Le liner peut être réalisé en un matériau polymère thermoplastique, notamment en PA6, PA11, PA12, PE.
Les parois principales opposée du liner peuvent être séparées l’une de l’autre au maximum d’une distance comprise entre 20 mm et 300 mm, notamment entre 120 mm et 200mm.
L’écartement entre les deux parois principales peut être constant.
En variante, l’écartement entre les parois principales peut être variable. Dans ce cas, la longueur des puits est également variable, suivant l’écartement entre les parois. La longueur de chaque rivet peut également être variable pour s’adapter à la longueur du puits correspondant.
Les parois principales opposées du liner peuvent avoir une longueur comprise entre 1 m et 3 m, notamment entre 1,20 m et 2 m.
Les parois principales opposées du liner peuvent avoir une largeur comprise entre 50 cm et 2 m, notamment entre 1 m et 1,50 m.
Les puits peuvent avoir une section circulaire de plus petit diamètre compris entre 4 et 25 mm.
Le liner peut être réalisé par tout procédé adapté de formage d’un matériau polymère, notamment par moulage par injection.
Le liner peut être réalisé en une ou plusieurs parties assemblées après fabrication.
La cavité formée par le liner peut présenter une épaisseur plus faible au niveau de la périphérie des parois principales, notamment au niveau de la deuxième enveloppe. La diminution de l’épaisseur de la cavité permet de compenser la surépaisseur induite par la superposition des deux enveloppes.
Rivets
Les rivets peuvent encore être appelés joncs.
La partie engagée dans les puits des rivets peut être montée avec un ajustement serré.
Les rivets peuvent transverser la première enveloppe et/ou, le cas échéant, la deuxième enveloppe. L’extrémité élargie des rivets est dans ce cas en appui axialement sur l’enveloppe la plus extérieure.
En particulier, les rivets les plus proches de la paroi périphérique traversent avantageusement la première enveloppe et la deuxième enveloppe. Ainsi, les rivets situés en périphérie contribuent également à la reprise des contraintes mécaniques aux jonctions entre les parois périphérique et principales opposées.
La section des rivets peut être sensiblement identique. En variante, la section des rivets peut augmenter avec l’éloignement à la paroi périphérique, pour tenir compte du fait que la reprise des efforts assurées par la périphérie du réservoir diminue à mesure de l’éloignement à cette dernière.
Les rivets peuvent comporter chacun un faisceau de fibres longues orientées sur une partie de leur longueur sensiblement parallèlement aux puits.
Au moins un rivet, de préférence chaque rivet, peut comporter deux extrémités avec une extrémité élargie formée par thermoformage.
La matrice polymère thermoplastique des rivets peut être réalisée à partir d’au moins un polymère thermoplastique choisi dans le groupe constitué par les polyoléfines, notamment le polypropylène, les polyamides, notamment les polyamides aliphatiques, tels que le polycaprolactame PA 6, le polyhexaméthylène adipamide PA 6.6, les polycarbonates, les PAEK (Polyaryléthercétone) dont font partie le PEEK (polyétheréthercétone) et le PEKK (polyéthercétonecétone), les matières sur base acrylique type PMMA (notamment la résine connue sous le nom d’ELIUM®), les PEI (Polyétherimide également connu sous le nom d’ULTEM), le PPS (Polysulfure de phénylène), l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le PLA (acide polylactique), le TPU (polyuréthane thermoplastique) et le PET (polyéthylène), et leurs mélanges.
Les fibres des rivets sont de préférence des fibres de verre, de carbone ou d’aramide.
Les rivets peuvent avoir, avant thermoformage, une plus grande section dont le diamètre du cercle circonscrit est compris entre 5 et 20 mm, notamment entre 10 et 15 mm.
Les rivets peuvent avoir, avant thermoformage, une longueur comprise entre 20 mm et 400 mm.
De préférence, au moins une extrémité des rivets présente, avant thermoformage, une forme effilée, notamment une forme en biseau ou en pointe.
Les rivets peuvent être fabriqués par pultrusion de fibres longues imprégnées d’un matériau polymère thermoplastique.
Les rivets fabriqués peuvent avoir, sur au moins 50% de leur longueur, une section circulaire.
Les rivets peuvent comporter, avant engagement dans les puits, une plus grande section comprise entre 1 et 1,1 fois, mieux entre 1 et 1,05 fois la section intérieure des puits.
Le thermoformage peut être réalisée à l’aide d’un outil, notamment une sonotrode, permettant l’application d’une pression sur l’extrémité d’un rivet simultanément au chauffage de cette extrémité.
La sonotrode peut comporter une tête avec une pointe centrale. Une telle tête peut permettre, lors du thermoformage, d’écarter les fibres du rivet et ainsi d’élargir plus facilement l’extrémité du rivet.
Chaque rivet a une longueur supérieure à la longueur du puits dans lequel il est engagé avant thermoformage. En particulier, les rivets peuvent dépasser des puits avant thermoformage d’une longueur comprise entre 2 mm et 100 mm.
Les extrémités élargies des rivets peuvent comporter une cuvette, qui peut correspondre à la trace laissée par la tête de la sonotrode utilisée pour le thermoformage.
Les extrémités élargies formées par le thermoformage peuvent présenter une forme sensiblement de contour circulaire ou elliptique, excentrée par rapport à l’axe du puits, notamment lorsque le thermoformage est réalisé sur une extrémité biseautée, ou centré sur l’axe du puits, lorsque le thermoformage est réalisé sur une extrémité plate ou en pointe.
Divers
Le réservoir peut comporter une valve d’alimentation et d’extraction du gaz, notamment de l’hydrogène.
Le réservoir peut avoir une forme générale parallélépipédique, notamment adaptée au positionnement du réservoir sous le plancher d’un véhicule automobile.
Le réservoir peut contenir de l’hydrogène à une pression comprise entre 350 et 1000 bar, notamment à 700 bar.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel
la illustre, en perspective, de manière schématique, un exemple de réservoir d’hydrogène selon l’invention,
la est une coupe transversale schématique et partielle du réservoir de la ,
la est une autre vue, en perspective et partielle, du réservoir de la ,
la illustre, en coupe transversale partielle et de manière schématique, le réservoir à l’issu du dépôt par drapage des enveloppes autour du liner,
la représente en élévation différentes formes de rivets,
la illustre l’engagement d’un rivet dans le puits d’un liner avec traversée de la première enveloppe, avant thermoformage de son extrémité,
la est une vue similaire à la après thermoformage de l’extrémité du rivet, et
la est vue de dessus et schématique d’extrémités élargies après thermoformage de rivets.
 Description détaillée
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou similaires ou de fonctions similaires ou identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits au regard de chacune des figures, seules les principales différences entre les modes de réalisation étant décrites.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas toujours été respectées, dans un souci de clarté.
On a illustré aux figures 1 à 3 un exemple de réservoir 10 d’hydrogène à haute pression.
Le réservoir 10 présente, comme illustré sur la , une forme générale sensiblement parallélépipédique. Il présente une épaisseurEde l’ordre de 150 mm par exemple, une longueurLode l’ordre de 1,60 m par exemple, et une largeurLade l’ordre de 1.20 m par exemple.
Le réservoir 10 comporte deux valves 20 permettant l’alimentation en hydrogène et l’extraction de celui-ci, respectivement.
Comme illustré sur la , le réservoir 10 comporte un corps intérieur formé par un liner 1 étanche à hydrogène, formant une cavité 11 fermée destinée à recevoir l’hydrogène sous pression.
Le liner 1 est réalisé en un matériau polymère thermoplastique.
Le liner 1 présente deux parois principales 2 opposées et une paroi périphérique 3 reliant les parois principales 2 à leur périphérie.
Les parois principales 2 s’étendent, dans cet exemple, sensiblement parallèlement entre elles.
La paroi périphérique 3 a une forme courbe, convexe vers l’extérieur, par exemple sensiblement hémicirculaire en section.
Le liner 1 comporte également une pluralité de puits 4 traversants reliant les parois principales opposées 2.
Le réservoir 10 comporte également une première enveloppe 5 qui recouvre extérieurement les parois principales 2 et la paroi périphérique 3.
La première enveloppe 5 est réalisée en matériau composite à matrice thermoplastique, par exemple en fibres de carbone avec une matrice en PMMA.
La première enveloppe présente par exemple une épaisseurE1maximale de 10 mm.
Dans cet exemple le réservoir 10 comporte également une deuxième enveloppe 6 qui recouvre la paroi périphérique 3 et une partie des parois principales 2 à partir de leur bord, cette deuxième enveloppe 6 se superposant extérieurement à la première enveloppe 5 dans une zone Zr de recouvrement.
La deuxième enveloppe 6 est également réalisée en un matériau composite et présente une épaisseur maximaleE2par exemple de 30 mm.
La deuxième enveloppe 6 comporte par exemple des fibres de carbone et une matrice polymère thermoplastique, par exemple le même matériau polymère thermoplastique que celui de la matrice de la première enveloppe 5.
La deuxième enveloppe 6 épouse sensiblement la forme extérieure de la première enveloppe 5 et du liner 1.
La cavité formée par le liner 1 peut présenter une épaisseur plus faible au niveau de la périphérie, notamment au niveau de la deuxième enveloppe 6. Cette épaisseur réduite permet de maintenir l’épaisseur du réservoir 10 sensiblement constante malgré le recouvrement entre la première et la deuxième enveloppe 6.
Conformément à l’invention, le réservoir 10 comporte une pluralité de rivets 15, engagés chacun dans un puits correspondant 4 du liner 1.
Les rivets 15 comportent chacun deux extrémités élargies 16 réalisées par thermoformage au cours de la fabrication du réservoir, comme détaillé plus loin.
L’extrémité élargie 16 est, dans cet exemple, soit en appui contre la surface extérieure de la première enveloppe 5 pour les rivets 15 en dehors de la périphérie, soit en appui contre la deuxième enveloppe 6, pour les rivets 15 situés au niveau de la superposition entre les deux enveloppes 5 et 6.
Comme illustré sur la , les puits 4 et donc les rivets 15 peuvent être positionnés selon des rangés longitudinales 17 et transversales 18 sur le réservoir 10.
Avantageusement, comme illustré sur la , tous les rivets 15 situés en périphérie sont en appui sur la deuxième enveloppe 6. Cette configuration permet de renforcer la résistance mécanique au niveau de la périphérie du réservoir, car ces rivets reprennent également une partie des contraintes mécaniques de la deuxième enveloppe 6.
Du fait que les extrémités élargies 16 soient thermoformées, il n’y a pas ou peu de contraintes résiduelles qui tendent à faire revenir les rivets à leur forme initiale.
Comme illustré sur la , les rivets 15 peuvent comporter des cuvettes 17 centrées sur leur axe longitudinal L. Ces cuvettes 17 correspondent à la marque laissée par l’outil qui a été utilisé pour le thermoformage.
Chaque rivet 15 comporte des fibres longues, par exemple de carbone, qui s’étendent au niveau du corps des rivets engagé dans le puits, parallèlement entre elles et à l’axe du puits 4.
Au niveau de la tête élargie du rivet, ces fibres divergent en s’éloignant de l’axe du puits, formant sensiblement un cône ouvert vers l’extérieur.
Dans cet exemple, les rivets 15 ont, en dehors des extrémités élargies 16, par exemple une section circulaire, par exemple de l’ordre de 15 mm de diamètre.
On peut avoir des puits 4 identiques sur l’ensemble du réservoir et utiliser des rivets identiques. On peut aussi avoir des puits 4 dont la section varie en fonction de l’emplacement sur le réservoir 10 et utiliser des rivets 15 correspondants de sections variées, en fonction de celles des puits 4 correspondants.
En particulier, la section des puits 4 peut être plus importante au centre du réservoir 10 que sur la périphérie.
Il est également possible d’avoir un espacement entre les puits 4 variable. En particulier, la densité de puits 4 peut être plus importante au centre du réservoir 10 qu’en périphérie.
Pour fabriquer le réservoir 10, on peut procéder comme suit.
Le liner est réalisé avec la forme souhaitée, par moulage par injection par exemple, en une ou plusieurs pièces assemblées après moulage.
Les rivets 15 sont également réalisés. Comme illustré sur la , avant leur engagement, les rivets 15 sont de forme allongée sur un axe longitudinal L. Ils sont fabriqués par pultrusion de fibres, par exemple de carbone.
Les rivets 15 peuvent comporter une seule extrémité 21 avec une forme biseautée, comme sur l’exemple (a). Les rivets 15 peuvent également avoir une extrémité 21 avec une forme en pointe, comme sur l’exemple (b).
Les rivets 15 ainsi fabriqués comportent un ensemble de fibres parallèles entre elles qui s’étendent d’une extrémité 21 à une autre. Les fibres sont, du fait de la pultrusion, correctement tendues.
Ensuite, comme illustré sur la , la première enveloppe 5 de fibres est drapée sur le liner 1 de manière à recouvrir les parois principales 2 et la paroi périphérique 3. Le drapage peut être fait avec des fibres sèches ou pré-imprégnées.
La deuxième enveloppe 6 est également drapée sur la périphérie du liner de manière à recouvrir la paroi périphérique 3 et la première enveloppe sur une certaine distance. Ce drapage peut également être fait avec des fibres sèches ou pré-imprégnées.
Comme illustré, le drapage de la première enveloppe 5 et de la deuxième enveloppe 6 peut se faire en recouvrant partiellement ou totalement les ouvertures des puits 4 du liner 1.
Les rivets 15 sont ensuite engagés dans les puits 4 du liner 1, comme illustré sur la .
Lors de cet engagement, les rivets 15 traversent la première enveloppe 5 et, le cas échéant, la deuxième enveloppe 6. Cette traversée est facilitée par la forme biseautée des rivets 15 qui permet d’écarter progressivement les fibres des enveloppes 5 et 6.
La longueurLrdes rivets 15 est à ce stade supérieure à l’épaisseurEpdu réservoir 10 en cours de fabrication donnée par la surface extérieure 18 de la première enveloppe 5.
Dans une étape suivante, illustrée sur la , les extrémités 21 des rivets 15 sont thermoformées, dans cet exemple à l’aide d’une sonotrode 30, selon un processus automatisé, par exemple sur une ligne de production avec une ou plusieurs sonotrodes 30. La sonotrode 30 possède une tête 31, permettant de transmettre des ultrasons. La tête 31 est de préférence de forme pointue, ce qui facilite la séparation et la formation de l’extrémité élargie 16 des rivets.
La pointe 32 de la tête 31 a par exemple une forme conique.
La tête 31 est de préférence, comme illustré, de révolution autour d’un axe R. Lors de l’opération de thermoformage, l’axe R de la tête 31 et l’axe longitudinal L du rivet 15 à thermoformer sont alignés.
La forme de la tête 31, notamment de sa pointe 32, est à l’origine de la formation de la cuvette 17 de l’extrémité élargie 16.
Le thermoformage permet d’écarter les fibres F afin de les repousser vers la première enveloppe 5 ou, le cas échéant, vers la deuxième enveloppe 6 et de former une extrémité élargie 16. Une fois l’extrémité élargie 16 refroidie, elle garde sa forme pour jouer pleinement son rôle de reprise des contraintes mécaniques de pression.
Les fibres F du rivet situées dans la zone non thermoformée présente dans le puits 4 restent parallèles entre elles.
Comme visible sur la figure 8a, les extrémités élargies 16 formées par le thermoformage de rivets 15 avec une extrémité 21 en biseau peuvent présenter une forme sensiblement circulaire, excentrée de l’axe du puits 4.
Dans le cas de rivets 15 présentant une extrémité 21 en pointe ou plate, l’extrémité élargie 16 peut présenter une forme circulaire centrée sur le puits 4, comme illustré sur la figure 8b.
Enfin, dans une dernière étape, on place l’ensemble formé pour les rivets 15, le liner 1 et les enveloppes 5 et 6 dans un moule pour réaliser une injection d’un matériau polymère thermoplastique et ainsi obtenir le réservoir 10.
L’injection du matériau peut se faire dans un moule dans lequel est placé le réservoir semi fini. On met en place un fluide sous pression à l’intérieur du liner, et on injecte le matériau sous pression par l’extérieur. Le fluide dans le liner permet de maintenir la forme du réservoir pendant cette étape et d’éviter l’effondrement du réservoir sous les contraintes de pression extérieure. Dans le cas de l’utilisation d’une résine PMMA (par exemple ELIUM®), la polymérisation commence dans le moule qui est chauffé à 70-90°C et va continuer lors du refroidissement hors moule, jusqu’à température ambiante.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
On peut utiliser pour le thermoformage des rivets des dispositifs de thermoformage autres que des sonotrodes, par exemple des dispositifs à induction ou à infrarouge.
On peut donner au réservoir une forme autre que généralement parallélépipédique, par exemple une forme épousant sensiblement le profil d’une aile d’avion, ou une forme avec une ou plusieurs cavités intérieures.
On peut compartimenter le réservoir, le cas échéant.

Claims (20)

  1. Procédé de fabrication d’un réservoir (10) de gaz, en particulier d’hydrogène, haute pression, comportant les étapes suivantes :
    a) déposer, notamment par drapage, au moins une première enveloppe (5) en matériau composite à matrice thermoplastique sur un liner (1) étanche audit gaz, notamment à l’hydrogène, présentant au moins deux parois principales (2) opposées reliées par des puits (4) traversants, de manière à recouvrir extérieurement au moins les parois principales (2) opposées,
    b) engager des rivets (15) en matériau composite à matrice thermoplastique dans des puits (14) traversants du liner (1) à travers la première enveloppe (5), avant consolidation de celle-ci,
    c) élargir par thermoformage au moins une extrémité (21) des rivets (15) émergeant des puits (4) traversants, de préférence leurs deux extrémités (21), de manière à former des extrémités élargies (16) capables de reprendre au moins une partie des efforts de pression s’exerçant sur les parois principales (2) opposées du liner (1).
  2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on dépose, notamment par drapage, au moins une deuxième enveloppe (6) en matériau composite, recouvrant extérieurement au moins une paroi périphérique (3) reliant les parois principales (2) opposées à leur périphérie et se superposant au moins partiellement à la première enveloppe (5) et à une pluralité de puits (14) traversants du liner (1).
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel les rivets (15) sont fabriqués par pultrusion de fibres longues imprégnées d’un matériau polymère thermoplastique.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les rivets (15) fabriqués ont, sur au moins 50% de leur longueur, une section circulaire.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’extrémité (21) des rivets par laquelle ceux-ci sont insérés dans les puits (4) traversants présente une forme effilée, notamment une forme en biseau ou en pointe .
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de thermoformage est réalisée à l’aide d’un outil (30), notamment une sonotrode, permettant l’application d’une pression sur une extrémité (21) d’un rivet (15) simultanément au chauffage de cette extrémité (21).
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape d’imprégnation d’un matériau polymère, de préférence thermoplastique, notamment dans un moule, de l’ensemble formé par le liner (1), les rivets (15), la première enveloppe (5) et, le cas échéant, la deuxième enveloppe (6).
  8. Réservoir (10) de gaz, notamment d’hydrogène, à haute pression, notamment obtenu selon le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant :
    - un liner (1) étanche audit gaz, notamment à l’hydrogène, présentant au moins deux parois principales (2) opposées et des puits (14) traversants reliant ces parois principales (2),
    - au moins une première enveloppe (5) en matériau composite à matrice thermoplastique recouvrant extérieurement au moins les parois principales (2) opposées du liner (1),
    - des rivets (15) en matériau composite à matrice thermoplastique engagés chacun dans un puits (14) correspondant du liner (1) et présentant au moins une extrémité élargie (16) thermoformée après traversée d’au moins la première enveloppe (5), de manière à reprendre au moins une partie des efforts de pression s’exerçant sur les parois principales (2) opposées du liner (1).
  9. Réservoir (10) selon la revendication précédente, dans lequel le liner (1) comporte une paroi périphérique (3) reliant les parois principales (2) opposées à leur périphérie, au moins une deuxième enveloppe (6) en matériau composite recouvrant extérieurement au moins la paroi périphérique (3) du liner (1) et se superposant au moins partiellement à la première enveloppe (5) et à une pluralité de puits (14) traversants du liner (1).
  10. Réservoir (10) selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième enveloppe (6) recouvre partiellement les parois principales (2) opposées.
  11. Réservoir (10) selon l’une des revendications 9 et 10, dans lequel la deuxième enveloppe (6) recouvre extérieurement la première enveloppe (5).
  12. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel les rivets (15) comportent chacun un faisceau de fibres longues orientées sur une partie de leur longueur sensiblement parallèlement au puits (14), de préférence des fibres de verre, de carbone ou d’aramide.
  13. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel les parois principales (2) opposées sont sensiblement parallèles entre elles.
  14. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel le liner (1) comporte une paroi périphérique (3) reliant les parois principales (2) opposées à leur périphérie, la première enveloppe (5) recouvrant entièrement la paroi périphérique (3).
  15. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 14, dans lequel la densité surfacique de puits (14) sur les parois principales (2) opposées est comprise entre 1 puits/dm² et 43 puits/dm².
  16. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, dans lequel le liner (1) comporte une paroi périphérique (3) reliant les parois principales (2) opposées à leur périphérie, la section des rivets (15) augmentant avec l’éloignement de la paroi périphérique (3).
  17. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 16, dans lequel, au moins un rivet (15), de préférence chaque rivet (15), comporte deux extrémités (21) avec une extrémité élargie (16) formée par thermoformage.
  18. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 17, dans lequel le liner (1) est réalisé en un matériau polymère thermoplastique.
  19. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 18, contenant de l’hydrogène à une pression comprise entre 350 et 1000 bar, notamment à 700 bar.
  20. Réservoir (10) selon l’une quelconque des revendications 8 à 19, dans lequel la cavité (11) formée par le liner (1) présente une épaisseur plus faible au niveau de la périphérie des parois principales (2).
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