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RESERVOIR DE STOCKAGE D'HYDROGENE A HYDRURES METALLIQUES A ECHANGES THERMIQUES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention se rapporte à un réservoir de stockage
d'hydrogène à hydrures métalliques et à un dispositif de stockage d'hydrogène
comportant au moins un tel réservoir.
On cherche des énergies alternatives aux pétroles du fait, notamment,
de la réduction des réserves de pétrole. Un des vecteurs prometteurs pour ces
sources
d'énergie est l'hydrogène, qui peut être utilisé dans les piles à combustible
pour produire
de l'électricité.
L'hydrogène est un élément très répandu dans l'univers et sur la Terre, il
peut être produit à partir du gaz naturel ou d'autres hydrocarbures, mais
aussi par simple
électrolyse de l'eau en utilisant par exemple l'électricité produite par
l'énergie solaire ou
éolienne.
Les piles à hydrogène sont déjà utilisées dans certaines applications, par
exemple dans des véhicules automobiles mais sont encore peu répandues,
notamment
du fait des précautions à prendre et des difficultés pour le stockage de
l'hydrogène.
L'hydrogène peut être stocké sous forme comprimée entre 350 et 700
Bar, ce qui pose des problèmes de sécurité, et de consommation d'énergie pour
la
compression du gaz. Il faut alors prévoir des réservoirs aptes à tenir ces
pressions,
sachant par ailleurs que ces réservoirs, lorsqu'ils sont montés dans des
véhicules, peuvent
être soumis à des chocs.
Il peut être stocké sous forme liquide, cependant ce stockage n'assure
qu'un faible rendement de stockage et ne permet pas le stockage sur de longues
durées.
Le passage d'un volume d'hydrogène de l'état liquide à l'état gazeux dans les
conditions
normales de pression et de température produit un accroissement de son volume
d'un
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facteur d'environ 800. Les réservoirs d'hydrogène sous forme liquide ne sont
en général
pas très résistants aux chocs mécaniques, cela pose d'importants problèmes de
sécurité.
Il existe également le stockage d'hydrogène dit solide sous la forme
d'hydrure. Ce stockage autorise une compacité de stockage importante et met en
oeuvre
une pression modérée d'hydrogène tout en minimisant l'impact énergétique du
stockage
sur le rendement global de la chaine hydrogène, i.e. de sa production à sa
conversion en
une autre énergie.
Le principe du stockage solide de l'hydrogène sous forme d'hydrure est
le suivant : certains matériaux et en particulier certains métaux possèdent la
capacité
d'absorber l'hydrogène pour former un hydrure, cette réaction est appelée
absorption.
L'hydrure formé peut à nouveau donner de l'hydrogène gazeux et un métal. Cette
réaction est appelée désorption.
L'absorption ou la désorption interviennent en fonction de la pression
partielle d'hydrogène et de la température.
L'absorption et la désorption de l'hydrogène sur une poudre ou une
matrice métallique M se font selon la réaction suivante :
Stockage : chaleur libérée (exothermique)
M + x/2 H7
-
MHx + AH (Chaleur)
Déstockage: Chaleur à fournir (endothermique)
¨ M étant la poudre ou matrice métallique,
- M Hx étant l'hydrure métallique.
On utilise par exemple une poudre métallique que l'on met en contact
avec de l'hydrogène, un phénomène d'absorption apparaît et un hydrure
métallique se
forme. La libération de l'hydrogène s'effectue selon un mécanisme de
désorption.
Le stockage de l'hydrogène est une réaction exothermique, i.e. qui
dégage de la chaleur, alors que la libération de l'hydrogène est une réaction
endothermique, i.e. qui absorbe de la chaleur.
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En outre, le matériau en absorbant l'hydrogène voit son volume
augmenter.
Lorsque le matériau absorbe de l'hydrogène, il y a dégagement de
chaleur, la pression d'équilibre, c'est-à-dire la pression au-delà de laquelle
le matériau se
charge en hydrogène, augmente, elle arrive rapidement au niveau de la pression
d'alimentation en hydrogène, ce qui a pour effet de bloquer la réaction
d'hydruration.
Afin de lutter contre ce phénomène qui est néfaste à un chargement rapide du
réservoir,
il est nécessaire de refroidir le matériau. A l'inverse, dans le sens de la
libération de
l'hydrogène, un apport de chaleur doit avoir lieu afin d'augmenter la pression
d'équilibre
et de disposer d'une source de pression au dessus de la pression que l'on
souhaite avoir
en sortie de réservoir. Il est alors prévu des moyens pour assurer des
échanges de chaleur
entre le matériau à l'intérieur du réservoir et une source froide ou une
source chaude
suivant qu'il s'agisse d'une phase de charge ou de décharge.
Le document US 4 667 815 décrit un dispositif de stockage d'hydrure
métallique comportant une cuve de forme cylindrique dans laquelle sont
superposées de
boîtes contenant de l'hydrure. Chaque boîte comporte une partie supérieure
munie d'une
bride extérieure entourant une partie en retrait d'une parie inférieure, cette
bride étant
en contact de la surface intérieure de la cuve, ce qui assure un échange de
chaleur entre
l'intérieur et l'extérieur.
Afin d'assurer une bonne conduction de la chaleur à travers la cuve, il
est souhaitable d'assurer un bon contact entre les boîtes et la cuve.
Or, d'une part du fait des dilatations différentielles entre le matériau de
la virole et le matériau des boîtes, d'autre part des défauts géométriques, le
bon contact
thermique entre la virole et les boîtes ne peut être assuré.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un
dispositif de stockage d'hydrogène dans lequel les échanges thermiques sont
améliorés.
Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif de stockage
comportant une cuve d'axe longitudinal destinée à recevoir le matériau de
stockage et
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des éléments de transfert thermique montés dans la cuve et en contact avec
l'intérieur de
la cuve. Le matériau de stockage est disposé dans la cuve de sorte à échanger
de la
chaleur avec les éléments de transfert thermique.
Les éléments comportent un bord périphérique extérieur en appui
élastique contre la face intérieure de la cuve de sorte que le contact entre
les éléments
de transfert thermique et la cuve est assuré malgré la dilatation
différentielle et/ou les
défauts géométriques, et les transferts de chaleur entre les éléments
conducteurs et la
virole soient maintenus.
Du fait de l'élasticité du bord périphérique, celui-ci compense les
variations géométriques entre la cuve et les éléments de transfert thermique,
ce qui
assure un maintien des transferts thermique tout au long de cycles de charge
et
décharge.
De manière avantageuse, le ou les éléments de transfert thermique
comporte une zone centrale et le bord périphérique comporte une pluralité de
languettes
repliées par rapport à cette zone centrale, les languettes assurant le contact
avec la paroi
de la cuve et se déformant autour de leur axe de pliage.
Avantageusement la zone centrale et les languettes sont d'un seul
tenant.
De manière très avantageuse, la zone centrale peut comporter des
découpes radiales, ce qui procure une plus grande souplesse à l'élément de
transfert
thermique et permet à l'élément de transfert thermique une plus grande
amplitude de
déformation.
L'invention a alors pour objet un réservoir destiné au stockage de
l'hydrogène par absorption dans un matériau de stockage de l'hydrogène,
comportant
une virole d'axe longitudinal obturée à ses deux extrémités longitudinales,
une
alimentation en hydrogène et une évacuation de l'hydrogène libéré et au moins
un
élément de transfert thermique monté transversalement dans la virole et en
contact avec
la surface intérieure de la virole, ledit élément de transfert thermique
présentant un bord
périphérique extérieur en contact élastique avec la surface intérieure de la
virole de sorte
que le contact entre l'élément de transfert thermique et la virole soit
maintenu lors des
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variations de température au cours des phases de charge et de décharge en
hydrogène,
ledit élément de transfert thermique étant destiné à assurer des transferts de
chaleur de
et vers le matériau de stockage destiné à être contenu dans le réservoir.
Dans un exemple avantageux, l'élément de transfert thermique
5 comporte une zone centrale sensiblement plane et le bord périphérique
comporte des
languettes entourant la zone centrale, lesdites languettes formant un angle
avec la zone
centrale.
De préférence, les languettes sont réalisées d'un seul tenant avec la
zone centrale et sont pliées par rapport à la zone centrale.
Par exemple, la virole présente une section sensiblement circulaire et le
l'élément de transfert thermique présente une forme sensiblement circulaire,
une
dimension entre une base des languettes reliée à la zone centrale et une
extrémité libre
des languettes étant comprise entre 0,5 % et 75% du rayon intérieur de la
virole.
L'élément de transfert thermique peut comporter au moins un trou
traversant
L'élément de transfert thermique peut comporter une pluralité de trous
traversant comportant des moyens aptes à laisser passer l'hydrogène et
empêchant le
passage du matériau de stockage sous forme de poudre.
Le réservoir peut comporter au moins un conduit s'étendant le long de
l'axe longitudinal dans la virole et traversant l'élément de transfert
thermique par ledit
trou traversant. Le trou traversant de l'élément de transfert thermique peut
avantageusement être bordé de languettes en contact élastique avec le conduit.
Le trou
traversant est avantageusement situé au centre de la zone centrale et dans
lequel
l'élément de transfert thermique comporte des découpes radiales partant du
trou
traversant.
Le réservoir comporte avantageusement des moyens aptes à laisser
passer l'hydrogène et empêchant le passage du matériau de stockage sous forme
de
poudre disposé au moins entre les languettes du bord périphérique et/ou les
languettes
du trou traversant.
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Dans un exemple de réalisation, l'élément de transfert thermique peut
comporter des découpes radiales s'étendant à partir du bord périphérique et ne
débouchant pas dans le trou central.
Dans un exemple avantageux, le réservoir comporte au moins un
conteneur disposé sur l'élément de transfert thermique, ledit conteneur étant
destiné à
contenir du matériau de stockage de l'hydrogène. Un jeu peut être prévu entre
le
conteneur et la surface intérieure de la virole.
Dans un exemple de réalisation, le fond du conteneur est formé par
l'élément de transfert thermique.
Le réservoir peut comporter avantageusement une structure
conductrice thermique insérée dans le conteneur.
Le réservoir peut comporter plusieurs éléments de transfert thermique,
délimitant deux à deux un compartiment destiné à contenir du matériau de
stockage
thermique.
De préférence, le conteneur est disposé en contact entre deux éléments
de transfert thermique.
Un système de gestion thermique en contact avec l'extérieur de la virole
peut avantageusement être prévu.
Le réservoir peut comporter un matériau de stockage sous forme de
poudre, les éléments de transfert thermique étant noyés dans la poudre ou un
matériau
de stockage sous forme de poudre contenu dans au moins un conteneur ou un
matériau
de stockage sous forme de pastille disposé en contact entre deux éléments de
transfert
thermique, des éléments de diffusion de l'hydrogène pouvant être prévus en
contact avec
les pastilles.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui
va suivre et des dessins en annexes sur lesquels :
- les figures 1A, 1B et 1C sont, respectivement, des vues de dessus, de
côté et en perspective d'un élément de transfert thermique selon l'invention,
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- la figure 1D est une vue en coupe longitudinale d'une partie de
l'élément de la figure 1A,
- les figures 2A à 2E sont des représentations schématiques
d'exemples de dispositif de montage utilisant des éléments de transfert
thermique des
figures 1A à 1C,
- Les figures 3A et 3B sont des vues de dessus et en perspective
respectivement d'un autre exemple de réalisation d'un élément de transfert
thermique
selon l'invention,
- La figures 3C est une vue en coupe de l'élément des figures 3A et 3B
le long du plan AA dans un premier état de déformation et dans un deuxième
état de
déformation,
- Les figures 4A à 4C sont différentes vues d'un autre exemple de
réalisation d'un dispositif de stockage utilisant des éléments de transfert
thermique selon
nvention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans la suite de la description, les hydrures métalliques seront désignés
par" matériau de stockage ".
On appelle cycle d'hydruration , une phase d'absorption suivie d'une
phase de désorption d'hydrogène.
Dans la description qui va suivre, le ou les réservoirs décrits présentent
une forme cylindrique de révolution, qui représente le mode préféré de
réalisation.
Néanmoins tout réservoir formé par élément creux présentant une dimension
longitudinale plus grande que sa dimension transversale, et ayant une section
quelconque, par exemple polygonale ou ellipsoïdale ne sort pas du cadre de la
présente
invention.
Un dispositif de stockage d'hydrogène selon l'invention comporte un ou
plusieurs réservoirs contenant du matériau de stockage et un système de
gestion
thermique destinée à apporter et à extraire de la chaleur pour libérer
l'hydrogène et le
stocker respectivement dans le matériau de stockage.
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Sur les figures 2A à 2C, on peut voir des représentations schématiques
de réservoirs de matériau de stockage.
Le réservoir 2 comporte une virole 4 d'axe longitudinal X obturée à une
extrémité inférieure par un fond inférieur 6. Le réservoir comporte également
un fond
supérieur (non représenté) fermant l'extrémité supérieure de la virole 4. La
virole 4 est,
dans l'exemple représenté, de section circulaire.
Le réservoir est destiné à être généralement orienté de sorte que l'axe
longitudinal X est sensiblement aligné avec la direction du vecteur gravité.
Cependant lors
de son utilisation, notamment dans le cas d'une utilisation embarqué, son
orientation
peut changer.
Le réservoir comporte des moyens (non représentés) d'alimentation en
hydrogène et de collecte de l'hydrogène.
Le réservoir comporte également des éléments de transfert thermique 8
montés à l'intérieur de la virole 4. Un exemple de réalisation de l'un de ces
éléments de
transfert thermique est représenté sur les figures 1A à 1C. Ces moyens
assurent une
conduction thermique orientée transversalement entre le matériau de stockage M
et la
virole.
L'élément de transfert thermique 8 a sensiblement la forme d'une
coupelle circulaire à fond plat comportant une zone centrale 10 et sur sa
périphérie
radialement extérieure des languettes ou pattes 12 qui sont inclinées par
rapport au plan
de la zone central 10. Les languettes 12 sont avantageusement réalisées d'un
seul tenant
avec la zone centrale 10, par découpe et pliage.
Les languettes peuvent être sensiblement planes ou alors présenter une
courbure, dans ce dernier cas, le contact entre les languettes et la virole se
fait de
manière tangentielle, il est alors augmenté par rapport à des languettes
planes pour
lesquelles le contact avec la virole est linéique.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1D, les languettes forment avec
la zone centrale 10 un angle a supérieur ou égal à 90 .
Lors du montage de l'élément de transfert thermique dans la virole, les
languettes 12 sont déformées radialement de manière élastique vers
l'intérieur. Une
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faible déformation plastique peut survenir, mais le contact sera toujours
assuré par la
partie retour élastique des languettes.
Les éléments de transfert thermique 8 sont en un matériau offrant une
bonne conductivité thermique par rapport au matériau de stockage, et de
préférence une
très bonne conductivité thermique comme le cuivre ou l'aluminium. De
préférence, le
matériau de l'élément de transfert thermique a une conductivité thermique au
moins dix
fois supérieure à celle du matériau de stockage.
Par exemple, la distance entre l'extrémité des languettes 12 rattachée à
la zone centrale 10 et leur extrémité libre est comprise entre quelques
pourcents à
quelques dizaines de pourcents du diamètre intérieur de la virole, par exemple
entre
0,5% et 75%, du diamètre intérieur de la virole, par exemple égale à 10%.
Ainsi elles
présentent une surface suffisante en contact avec la surface intérieure de la
virole 4 pour
conduire la chaleur.
Les dimensions des éléments de transfert thermique 8 sont choisies de
sorte à permettre leur montage dans la virole et à assurer une déformation
élastique des
languettes. De préférence, pour avoir un bon contact thermique ente les
éléments 8 et la
virole, le diamètre en périphérie des languettes est légèrement supérieur à
celui du
diamètre interne de la virole.
Par exemple, les éléments de transfert thermique en périphérie des
languettes peuvent présenter un diamètre supérieur de 1 à 2 mm au diamètre
intérieur
de la virole. Cette valeur peut dépendre du défaut géométrique mesuré sur la
virole.
De préférence, la valeur du diamètre (1)1 en périphérie des languettes est
déterminée en se plaçant à la limite élastique du matériau des éléments de
transfert
thermique 8 lorsque celui-ci est égal, après montage, au diamètre moyen de la
virole. Afin
d'assurer un contact avec toutes les languettes, cette valeur de diamètre (1)1
est majorée
de la différence entre ce diamètre et le plus grand diamètre de la virole, la
virole n'étant
pas parfaitement circulaireT
(I) (I)
: T 1-virole maxi. Il peut être envisageable de choisir un diamètre
(1)1 plus important encore, dans ce cas les languettes se déformeront plus
encore
plastiquement.
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Lors du montage des éléments de transfert thermique 8 dans la virole 4,
les languettes 12 se déforment principalement de manière élastique mais une
déformation plastique peut également avoir lieu. L'élasticité résiduelle
assure un contact
pérenne entre chaque languette et la paroi intérieure de la virole.
5 L'épaisseur des éléments de transfert thermique est choisie en
fonction
de l'application visée, les cinétiques de chargement ou déchargement de
l'hydrogène
peuvent être différentes. L'épaisseur de l'élément de transfert thermique est
choisie en
fonction du flux thermique à évacuer par conduction. Par exemple, les éléments
de
transfert thermique peuvent présenter une épaisseur de l'ordre de 1 mm.
10 Sur la figure 2A, on peut voir représentés schématiquement des
éléments de transfert thermique 8 montés dans la virole 4. Les éléments de
transfert
thermique 8 sont maintenus dans la virole 4 grâce à la déformation élastique
radiale des
languettes 12.
Les éléments de transfert thermique délimitent des compartiments pour
le matériau de stockage.
Les contraintes de contact entre les éléments de transfert thermique et
la virole peuvent être suffisantes pour que les éléments de transfert
thermique
supportent le matériau de stockage. Alternativement, comme cela sera décrit
plus en
détail ci-dessous, le support du matériau est assuré par des godets superposés
20, les
éléments 8 étant intercalés entre les godets (Figures 2A et 4B). En variante,
chaque étage
repose sur la poudre de l'étage du dessous (Figure 2C).
Ce matériau peut être sous différentes formes. Il peut être sous forme
de pastilles formées d'un hydrure compacté avec d'autres matériaux pour
assurer la
cohésion des pastilles et améliorer la conduction de la chaleur, par exemple
l'hydrure
peut être mélangé avec du carbone. Ces pastilles conservent sensiblement leur
forme au
cours des cycles d'hydruration (figure 2C).
Le matériau de stockage peut être sous forme de poudre lâche, le
dispositif de stockage est alors rempli directement avec la poudre (figure 2A
ou 2B).
Le matériau de stockage peut être sous forme de galettes ou lingots
massifs ou plus généralement de morceaux polyédriques de taille millimétrique
ou
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centimétrique. Le matériau sous ces différentes formes simplifie le
remplissage. Au cours
des cycles d'hydruration, le matériau à tendance à gonfler lorsqu'il absorbe
de
l'hydrogène. Le gonflement hétérogène par nature du matériau entraine une
fragmentation, l'homme de l'art dit aussi décrépitation, de celui-ci en
poudre. Ce cas de
figure peut correspondre aux exemples des figures 2A et 2B.
Dans l'exemple des figures 1A à 1C, l'élément de transfert thermique
comporte des trous 14 répartis dans la zone centrale 10 permettant le passage
de
l'hydrogène d'un compartiment à l'autre lors des phases de charge et de
décharge. Ces
trous 14 peuvent être de section identique ou variable. Dans le cas où le
matériau de
stockage est sous forme de poudre ou de galette destinée à décrépiter, les
trous 14 sont
obturés par des moyens assurant le passage de l'hydrogène mais empêchant le
passage
de la poudre. Ces moyens sont par exemple formés par une grille fine, un tissu
métallique, un matériau fritté poreux ou même un filtre en matériau organique
ou
polymère, sous la seule contrainte de ne pas polluer le matériau de stockage
de
l'hydrogène ni l'hydrogène lui-même dans les conditions de température et de
pression
d'usage du matériau hydrure. Dans l'exemple représenté, les trous sont de
différentes
sections, les trous radialement les plus à l'extérieur étant de plus grande
section. Les
trous pourraient être de section constante. La section totale des trous est
déterminée en
fonction du débit d'hydrogène dont il faut assurer le passage.
Par exemple, les moyens empêchant le passage de la poudre par les
trous sont choisis de sorte à empêcher le passage de fines particules
d'hydrure, entre 1
um et 5 um dans le cas d'un hydrure de type LaNi5 par exemple.
Le passage de l'hydrogène peut également avoir lieu en périphérie des
éléments de transfert thermique 8, entre les languettes, en particulier dans
les exemples
de réalisation des figures des figures 2A et 2C.
Dans l'exemple représenté, la zone centrale de l'élément de transfert
thermique comporte un passage central 16 qui est également bordé de languettes
18
orientées vers l'axe de l'élément de transfert thermique.
Ce passage central 16 est par exemple destiné au passage d'un conduit
(non représenté) pour l'écoulement d'un caloporteur amenant ou retirant de la
chaleur
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en fonction de l'étape du cycle d'hydruration. Les languettes 18 sont
déformées
élastiquement par le tube, un bon contact est alors obtenu assurant également
un bon
transfert thermique entre le conduit et les éléments de transfert thermique.
En outre, les
languettes 18 en contact élastique avec le conduit permettent d'obturer au
moins
partiellement le jeu entre le conduit et le bord du trou de passage et ainsi
empêchent au
moins en partie la chute de poudre dans le compartiment inférieur.
Avantageusement, un élément filtrant tel que décrit précédemment
peut être envisagé pour empêcher le matériau hydrure sous forme de poudre de
passer
dans les interstices entre les languettes 12 ou 18 sans pour autant empêcher
le passage
de l'hydrogène. Par exemple, il est possible de placer une fine grille de
filtration au dessus
des languettes supportant le matériau hydrure.
Ce trou de passage 16 peut servir alternativement au passage d'un
conduit d'alimentation et de collecte de l'hydrogène. Le conduit est par
exemple en
matériau poreux, par exemple réalisé en Poral ou percé de trous traversants,
et
connecté à un circuit d'alimentation et de collecte d'hydrogène; la taille des
trous dans le
tube est suffisamment faible pour éviter le passage de la poudre. On peut par
exemple
utiliser un conduit en matériau poreux calibré sur une taille de 1 um pour
assurer une
étanchéité à la poudre hydrure et un passage de l'hydrogène.
Dans ce cas de figure, les languettes 18 ne sont pas requises car on ne
recherche pas des échanges thermiques entre les éléments de transfert
thermique et le
conduit d'alimentation et de collecte de l'hydrogène. Néanmoins comme indiqué
ci-
dessus, les languettes 18 en contact élastique avec le conduit peuvent
permettre
d'obturer au moins partiellement le jeu entre le conduit et le bord du trou de
passage et
ainsi empêchent au moins en partie la chute de poudre dans le compartiment
inférieur.
Plusieurs trous de passage pour le passage de plusieurs conduits
peuvent être prévus, on peut envisager un ou plusieurs conduits de circulation
d'un
caloporteur et/ou un ou plusieurs conduits d'alimentation et de collecte de
l'hydrogène.
Nous allons maintenant décrire différents exemples de réservoir
comportant les éléments de transfert thermique selon l'invention.
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Sur la figure 2A, le matériau de stockage M sous forme de poudre dans
chaque compartiment est reçu dans un conteneur reposant sur un élément de
transfert
thermique. Le conteneur est tel que sa paroi latérale n'est pas en contact
avec la virole,
ménageant un jeu latérale entre la virole et le conteneur, évitant ainsi qu'un
effort
s'applique sur la virole lorsque le matériau de stockage gonfle. Ce jeu
latéral permet en
outre le passage de l'hydrogène.
Ce conteneur 20 assure la retenue de la poudre et évite qu'elle ne soit
en contact avec la paroi de la virole et en outre assure par contact avec
l'élément de
transfert thermique la conduction thermique. Les conteneurs sont empilés, les
conteneurs inférieurs supportant les conteneurs supérieurs.
Les conteneurs sont par exemple en inox, en cuivre, en aluminium. En
variante, on peut envisager que la paroi latérale du conteneur soit en
matériau plastique
et que le fond du conteneur soit formé directement par l'élément 8. Le
matériau de
stockage en poudre M est alors en contact direct avec l'élément 8 ce qui
assure de bons
transferts thermique entre le matériau et l'élément tout en utilisant un
matériau en
plastique pour assurer en partie la retenue de la poudre.
Avantageusement, le conteneur 20 d'un compartiment est en contact
par son extrémité supérieure avec l'élément de transfert thermique 8 du
compartiment
supérieur 20. L'élément de transfert thermique 8 du compartiment supérieur
forme un
couvercle limitant la fuite de la poudre par le haut du conteneur et en outre
ce contact
permet également un échange thermique. Ainsi, dans cette réalisation
avantageuse, des
échanges thermiques ont lieu à la fois au niveau de la partie inférieure du
conteneur et au
niveau de la partie supérieure du conteneur.
Sur la figure 2B, le matériau de stockage sous forme de poudre est en
contact directement avec la virole. Dans cet exemple de réalisation, la
hauteur du lit de
poudre est choisie inférieure au diamètre du lit de poudre afin de pouvoir
négliger la
pression mécanique exercée par la poudre sur la virole par rapport à celle de
l'hydrogène.
Dans cet exemple de réalisation, des étages sont réalisés dans le
réservoir en montant des plaques transversales 22 et des éléments de transfert
thermique 8 selon l'invention sont disposés dans l'épaisseur de poudre. Dans
l'exemple
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représenté, les éléments de transfert thermique 8 sont noyés dans la poudre,
chaque
élément de transfert thermique échange alors thermiquement avec la poudre par
sa face
inférieure et sa face supérieure. Dans cet exemple chaque élément de transfert
thermique subit une pression mécanique de la part de la poudre sur ses deux
faces. Les
éléments 8 peuvent glisser le long de l'axe de la virole lors du gonflement du
matériau
lorsqu'il sera chargé. Les éléments peuvent coulisser dans la virole à chaque
phase de
chargement/déchargement ou alors atteindre une position sensiblement fixe en
fonction
des contraintes entre les éléments et la virole. Avantageusement, un moyen
assurant la
retenue de la poudre et le passage de l'hydrogène peut être prévu pour
empêcher la
poudre de passer à travers les éléments 8 que ce soit au niveau des trous 14
qu'au niveau
des interstices entres les languettes 12 et la variole et entre les languettes
18 et le
conduit.
Sur la figure 2C, le matériau de stockage M est sous forme de pastille.
Chaque pastille est disposée sur un élément de transfert thermique. Dans
l'exemple
représenté et de manière avantageuse, chaque comprimé est en contact par sa
face
inférieure et par sa face supérieure avec un élément de transfert thermique
augmentant
les échanges thermiques et assurant des échanges thermiques homogènes dans
chaque
pastille.
Dans cet exemple, des plaques en matériau poreux sont disposés dans
le matériau poreux perpendiculairement à l'axe longitudinal, améliorant la
diffusion de
l'hydrogène. En effet, les pastilles sont denses avec peu de porosité. Les
plaques poreuses
assurent une distribution de l'hydrogène partout au-dessus de la pastille pour
minimiser
la longueur de diffusion de l'hydrogène dans la pastille.
Sur la figure 2D, on peut voir un exemple préféré de réalisation de
l'invention dans lequel les éléments de transfert thermique 8 forme également
des
éléments supports du matériau de stockage en poudre M. Des éléments sont
disposés au
niveau des zones entre les languettes et éventuellement au niveau des trous 14
et le
passage 16 s'ils sont prévus, de sorte à laisser passer l'hydrogène et à
retenir le matériau
de stockage en poudre, évitant une accumulation de celui-ci dans le fond du
réservoir. Un
volume libre V est prévu entre le haut de la poudre et le fond de l'élément de
transfert
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thermique supérieur afin de permettre un gonflement libre du matériau de
stockage en
phase de charge et éviter une interaction entre la poudre et l'élément
d'échange
thermique supérieur. Dans cet exemple, les éléments 8 sont maintenus en place
dans la
virole par frottement.
5 Sur la figure 2E, on peut voir une variante du réservoir de la
figure 2D,
dans laquelle des espaceurs 17 sont avantageusement prévus entre les éléments
de
transfert thermique 8 afin d'assurer un bon positionnement des uns par rapport
aux
autres au cours du temps. En effet, par exemple suite à un choc ou une chute
du
réservoir, il se pourrait qu'un ou plusieurs éléments 8 glissent vers le haut
le long de la
10 virole. Les espaceurs sont par exemple formés par des colonnettes, par
exemple fixées au
fond des éléments 8. En variante, les colonnettes peuvent être portées par une
couronne
unique comme cela est schématisé sur la figure 2E.
Grâce à ces espaceurs, l'espace entre les éléments est maintenu.
La mise en oeuvre de ces espaceurs est particulièrement intéressante
15 dans le cas de réservoir comportant un grand nombre d'étages.
Sur les figures 4A à 4C, on peut voir un exemple de réalisation pratique
d'un réservoir de stockage selon l'invention, comportant une pluralité
d'éléments de
transfert thermique 8 délimitant chacun un étage. Chaque étage comporte un
conteneur
reposant sur un élément de transfert thermique 8. Le conteneur est tel que
l'hydrure
20 forme un lit peu épais, i.e. offrant un élancement faible. Par ailleurs,
les conteneurs sont
tels qu'ils ne sont pas en contact mécanique avec la virole.
Dans l'exemple représenté et de manière avantageuse, chaque
conteneur 20 comporte une structure en casier 28 délimitant dans le conteneurs
des
sous-compartiments améliorant les transferts thermiques dans l'épaisseur du
lit
d'hydrure, et évitant que le lit d'hydrure n'ait un écoulement latéral dans le
cas où le
réservoir serait incliné lors de manipulations. Dans l'exemple représenté, les
sous-
compartiments sont de forme carrée ou rectangulaire mais on pourrait prévoir
qu'ils
soient par exemple en nid d'abeille.
Avantageusement et comme cela est représenté sur les figures 4B et 4C,
des encoches 29 sont réalisées dans les bords libres des casiers pour
faciliter le passage
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de l'hydrogène. Ces encoches ne sont pas représentées sur la figure 4A à des
fins de
clarté.
En outre, le réservoir comporte un système de gestion thermique
comportant un tuyau 30 enroulé sur la surface extérieure de la virole 4 et
dans lequel est
destiné à circuler un caloporteur apportant ou retirant de la chaleur en
fonction de la
phase du cycle. Selon une variante avantageuse, on prévoit de faire baigner la
virole 4
dans un bain de liquide caloporteur.
On peut prévoir de manière très avantageuse, que le fond du conteneur
soit formé directement par l'élément de transfert thermique améliorant encore
les
transferts entre la poudre et l'élément de transfert thermique.
A titre d'exemple, le réservoir peut présenter les caractéristiques
suivantes :
= les éléments de transfert thermique sont en cuivre et ont une
épaisseur de 2 mm;
= les éléments de transfert thermique ont une hauteur de 10 mm,
= la virole à un diamètre de 300 mm,
= le lit d'hydrure a une épaisseur de 20 mm,
= la structure insérée a un pas supérieur à 20 mm.
Un exemple de réalisation des éléments de transfert thermique va
maintenant être décrit.
Lors d'une première étape, les éléments de transfert thermique sont
réalisés par découpe dans une tôle par exemple de cuivre ou d'aluminium.
Lors d'une étape suivante, les languettes sont découpées. En variante,
cette étape peut être réalisée simultanément à la première étape. En outre de
la matière
peut être retirée afin d'éviter un chevauchement des languettes lorsqu'elles
sont repliées.
Lors d'une étape suivante, les languettes 12 sont repliées de sorte
qu'elles soient légèrement inclinées vers l'extérieur et délimitent un rayon
extérieur
supérieur à celui de la portion centrale 10.
Si les éléments de transfert thermique comportent des trous, ceux-ci
sont réalisés par exemple au moyen d'un emporte-pièce, plusieurs dans le cas
où les trous
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sont de section différente. Les trous sont réalisés de préférence avant le
pliage des
languettes.
Dans le cas où le trou de passage 16 est bordé de languettes 18, celles-ci
peuvent être réalisées de la manière décrite pour les languettes 12. Le
retrait de matière
n'est pas utilisé pour les languettes 18.
La réalisation des éléments de transfert thermique est donc très simple
et d'un prix de revient faible.
La réalisation du réservoir est la suivante.
Un premier élément de transfert thermique 8 est inséré en force dans la
virole 4, les languettes 12 vers le haut. Les languettes 12 se plient
radialement vers
l'intérieur principalement de manière élastique. L'élément de transfert
thermique 8 est
déplacé longitudinalement dans la virole jusqu'à ce qu'il atteigne la position
souhaitée.
Du fait de l'élasticité résiduelle, l'élément de transfert thermique 8 est
maintenu en position dans la virole 4 et les languettes 12 sont en contact
avec la surface
intérieure de la virole 4.
Le matériau de stockage M est ensuite mis en place, sous la forme de
poudre, de galette ou de pastille. Suivant la forme sous laquelle se présente
le matériau,
un conteneur 20 peut être prévu pour contenir la poudre. En variante, on
réalise la
structure interne du réservoir comportant le matériau M et l'ensemble est
ensuite
introduit dans la virole.
Un deuxième élément de transfert thermique 8 est introduit en force
dans la virole 4 et est déplacé jusqu'à atteindre la position souhaitée, par
exemple en
contact de la pastille préalablement mise en place.
Les étapes ci-dessus se répètent autant de fois que nécessaire. Le
réservoir est ensuite refermé et les connexions au circuit d'alimentation et
de collecte de
l'hydrogène et au système de gestion thermique sont réalisées.
Dans le cas où un ou plusieurs conduits s'étendent longitudinalement
dans la virole, ceux-ci sont mis en place avant la mise en place des éléments
de transfert
thermique. Les éléments de transfert thermique comportent des trous de
passage. Les
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éléments de transfert thermique, lors de leur montage dans la virole, sont
traversés par
les conduits.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement des éléments de
transfert thermique.
Comme représenté sur les figure 4A et 4C, le système de gestion
thermique peut par exemple être formé par un tube enroulé 30 autour du
réservoir, dans
lequel circule un caloporteur, ce caloporteur assure par échange thermique
avec la virole
l'extraction de la chaleur ou l'apport de chaleur.
Alternativement, le système de gestion thermique est formé par un bain
de caloporteur dans lequel est disposé le réservoir, ou une chemise qui
entoure le
réservoir.
Dans une phase d'hydruration, i.e. de charge en hydrogène, de
l'hydrogène alimente le réservoir. L'hydrogène est soit amené par un conduit
poreux qui
traverse les différents compartiments, soit circule entre la virole 4 et les
éléments de
transfert thermique 8 entre les languettes 12 et/ou par les trous 14 réalisés
dans les
éléments de transfert thermique 8.
L'absorption de l'hydrogène par le matériau de stockage provoque une
génération de chaleur. Cette chaleur doit être évacuée pour ne pas ralentir
voir arrêter
l'hydruration. Du fait de la présence des éléments de transfert thermique 8
par
l'intermédiaire des languettes 12 et de leur contact permanent avec la virole
4, la chaleur
est évacuée vers l'extérieur à travers les éléments de transfert thermique 8.
La chaleur
peut aussi passer radialement sans passer par les éléments de transfert
thermique, si par
exemple la hauteur de matériau M est grande devant le diamètre de matériau M.
Même si le coefficient de dilatation des éléments de transfert
thermique 8 est supérieur à celui de la virole 4, ce différentiel est absorbé
par la
déformation élastique des languettes 12 en périphérie. La déformation
comportant une
partie élastique, le contact peut être gardé durablement lors du
fonctionnement en
cyclage d'absorption/désorption du réservoir d'hydrogène.
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En phase de déshydruration ou de décharge, la réaction de l'hydrogène
requiert un apport de chaleur. La chaleur est alors amenée par les éléments de
transfert
thermique 8 en contact avec la virole 4 qui elle-même est échauffée par le
caloporteur.
La présente invention offre également l'avantage de s'adapter à des
défauts de circularité et de diamètre de la virole. En effet, les tubes
réalisés en
chaudronnerie, et pour lesquels le prix de revient reste économiquement
intéressant, ne
sont généralement pas d'une grande précision géométrique. La déformation
élastique
procurée par les languettes permet de garder un contact thermique pour un
certain
défaut de circularité et diamètre de la virole.
Il sera compris que les caractéristiques du réservoir peuvent varier en
fonction des applications suivant le cahier des charges de l'application, en
particulier en
ce qui concerne les vitesses de chargement et déchargement du réservoir.
Sur les figures 3A à 3C, on peut voir un autre exemple de réalisation
d'un élément de transfert thermique 108 comportant un orifice central 23 et
des
premières découpes radiales 24 s'étendant de l'orifice central sur une partie
du rayon de
la zone centrale 110 et des deuxièmes découpes radiales 26 s'étendant du bord
radialement externe vers l'orifice central 23 et s'étendant sur une partie du
rayon.
De préférence les découpes s'étendent sensiblement radialement.
De préférence, les premières et deuxièmes découpes 24, 26 sont
réparties angulairement de manière régulière autour de l'orifice central.
Les deuxièmes découpes radiales sont réalisées entre les languettes. En
outre, il est prévu qu'une deuxième découpe radiale soit disposée entre deux
premières
découpes radiales.
Un élément ne comportant que des découpes 24 ou des découpes 26 ne
sort pas du cadre de la présente invention.
Par exemple, l'angle entre deux découpes 24 ou deux découpes 26 est
compris entre 5 et 70 .
Dans l'exemple représenté, les découpes sont rectilignes. Elles peuvent
présenter une autre forme.
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Dans l'exemple représenté, le trou central a une forme polygonale. En
variante le trou pourrait être rond.
En variante, des languettes sur le contour du trou central peuvent être
prévues. Celles-ci sont alors orientées dans le sens opposé aux ailettes
externes, vers le
5 bas dans l'exemple représenté, pour que les languettes internes et
externes s'écartent en
même temps.
L'élément de transfert thermique ainsi réalisé présente une plus grande
souplesse. Il est alors possible de faire varier le diamètre extérieur de
l'élément de
transfert thermique en bénéficiant d'une plage de déformation élastique
accrue.
10 L'amplitude de cette variation est sensiblement plus importante que
celle pouvant être
obtenue avec l'élément de transfert thermique des figures 1A à 1C.
Un mode de montage avantageux de ce type d'élément de transfert
thermique est de les installer en utilisant leur élasticité accrue pour
combler les jeux de
montage entre les ailettes et la virole. Le montage standard oblige ainsi les
éléments de
15 type 108 à adopter une configuration conique, comme montré en partie
supérieure de la
figure 3C. L'amplitude de déformation élastique se trouve alors augmentée par
rapport à
des éléments de type 8. Cette amplitude est matérialisée par la différence de
diamètre
importante entre la configuration de l'élément 108 (Fig. 3C en partie
supérieure), et la
configuration au repos en forme aplatie (Fig. 3C en partie inférieure). Au
montage de
20 l'empilement, l'élément 108 se trouve aplati entre deux pastilles, cela
provoque
l'augmentation du diamètre extérieur de l'élément 108 ce qui entraîne le
contact des
languettes avec la paroi de la virole. Le contact bénéficie ainsi d'une
réserve de
déformation élastique plus importante que le cas des éléments 8. Ce type de
mise en
place permettant même de n'avoir qu'un contact léger au montage (lors de
l'insertion
dans la virole), le montage est alors facilité car il n'y a moins de
frottement des languettes
sur les parois.
Cet élément de transfert thermique permet donc de s'adapter à des
variations de diamètre de la virole. Il sera compris que la représentation de
la virole est
schématique et uniquement à titre d'illustration.
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A titre d'exemple, des éléments de transfert thermique des figures 3A à
3C en aluminium d'épaisseur 2 mm et de diamètre extérieur de 300 mm peuvent
s'adapter à une virole de diamètre interne compris entre 299 mm et 301 mm.
Cet exemple de réalisation présente l'avantage de pouvoir s'adapter à
des défauts géométriques en ayant une réserve de déformation élastique plus
importante. Les découpes introduisent en effet une plus grande déformabilité
élastique
circonférentielle.
Comme pour les trous, on peut prévoir de disposer dans les découpes,
de préférence au dessus des trous un moyen pour empêcher la poutre de tomber
dans le
compartiment inférieur, par exemple ce moyen est une grille, tissus, poral.
Ces découpes peuvent servir également au passage de l'hydrogène, la
répartition des découpes assurent avantageusement une distribution et une
collecte
uniforme de l'hydrogène.
Le trou central peut servir au passage d'un conduit de caloporteur ou à
d'alimentation/collecte de l'hydrogène.
Le dispositif selon la présente invention peut être utilisé pour
transporter de l'hydrogène, pour le stockage embarqué d'hydrogène pour pile à
combustible ou moteur thermique, pour le stockage stationnaire d'hydrogène.
Le dispositif peut donc servir comme réservoir embarqué pour les
moyens de transports, tels que les bateaux, sous-marins, voitures, autobus,
camions,
engins de chantier, deux roues, par exemple pour alimenter une pile à
combustible ou un
moteur thermique. En outre, il peut être utilisé dans le domaine des
alimentations
transportables en énergie tels les batteries pour appareils électroniques
portables comme
les téléphones portables, les ordinateurs portables.....
Le dispositif selon la présente invention peut également être utilisé
comme système de stockage stationnaire de l'énergie en plus grosse quantité,
comme les
groupes électrogènes, pour le stockage de l'hydrogène produit en grande
quantité par
électrolyse avec de l'électricité provenant des éoliennes, panneaux
photovoltaïques,
géothermie.....
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Il est aussi possible de stocker toute autre source d'hydrogène
provenant par exemple de reformage d'hydrocarbures ou d'autres procédés
d'obtention
d'hydrogène (photo-catalyse, biologique, géologique,...).
