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WO 2017/001756 1
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Dispositif de génération de dihydrogène gazeux
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne un dispositif pour la génération de
dihydrogène gazeux destiné notamment à alimenter une pile à
combustible montée dans un aéronef.
Divers dispositifs de génération de dihydrogène permettant
d'alimenter une pile à combustible sont connus de l'état de la technique. Il
serait toutefois souhaitable de perfectionner ces dispositifs en les rendant
plus compacts.
Il existe donc un besoin pour fournir de nouveaux dispositifs de
génération de dihydrogène plus compacts que les dispositifs existants.
Il existe encore un besoin pour fournir des systèmes à pile à
combustible compacts, destinés notamment à être intégrés dans un
aéronef.
Objet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un
dispositif de génération de dihydrogène gazeux comprenant :
un corps délimitant un volume intérieur dans lequel sont
présents :
= un premier compartiment de stockage délimité par une
première paroi, un matériau de stockage d'hydrogène étant
destiné à être présent dans le premier compartiment,
= un deuxième compartiment de convoyage, le premier
compartiment entourant le deuxième compartiment et étant
séparé de ce dernier par une deuxième paroi, un système de
convoyage étant présent dans le deuxième compartiment et
étant configuré pour transporter le matériau de stockage
d'hydrogène d'une entrée du deuxième compartiment
communiquant avec le premier compartiment vers une sortie
du deuxième compartiment, et
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= un support de récupération en communication avec la sortie
du deuxième compartiment et relié aux première et
deuxième parois, ledit support étant configuré pour être mis
en mouvement dans le premier compartiment,
un système de mise en mouvement permettant d'actionner le
système de convoyage ainsi que le mouvement du support de
récupération dans le premier compartiment, et
un système de chauffage configuré pour chauffer le
deuxième compartiment.
L'invention permet avantageusement de fournir un dispositif de
génération de dihydrogène gazeux particulièrement compact et léger du
fait d'un agencement particulier dans lequel les premier et deuxième
compartiments sont placés dans la même enceinte, le premier
compartiment entoure le deuxième compartiment et dans lequel le
matériau de stockage d'hydrogène usagé (i.e. ayant été transformé sous
l'effet de la chaleur afin de libérer le dihydrogène gazeux) est récupéré
dans cette même enceinte. La solution proposée dans la présente
invention permet ainsi de réduire très significativement l'encombrement
du dispositif par rapport à une solution où le matériau de stockage
d'hydrogène, le système de convoyage et le matériau de stockage
d'hydrogène usagé seraient chacun présents dans une enceinte séparée.
Le support de récupération est destiné à récupérer le matériau
de stockage d'hydrogène usagé. Le support de récupération peut, par
exemple, être sous la forme d'un plateau de récupération. En variante, le
support de récupération peut présenter un fond ayant une forme non
plane, comme une forme concave ou convexe.
Dans un exemple de réalisation, le système de chauffage peut
être configuré pour réaliser un chauffage par induction du deuxième
compartiment, et en particulier du système de convoyage présent dans le
deuxième compartiment. En variante, le système de chauffage peut être
configuré pour réaliser un chauffage résistif du deuxième compartiment.
Dans un exemple de réalisation, le système de convoyage et le
mouvement du support de récupération peuvent être configurés pour être
actionnés par un même moteur du système de mise en mouvement.
Dans un exemple de réalisation, le système de mise en
mouvement peut comporter au moins un moteur configuré pour actionner
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au moins le système de convoyage par l'intermédiaire d'un accouplement
magnétique.
Un tel mode de réalisation permet avantageusement de
conférer au corps une excellente étanchéité au dihydrogène.
Dans un exemple de réalisation, le système de convoyage peut
être sous la forme d'une vis de convoyage.
Dans un exemple de réalisation, un premier bord du support de
récupération peut être relié à l'une des première et deuxième parois par
une liaison glissière et un deuxième bord dudit support peut être relié à
l'autre des première et deuxième parois par une liaison hélicoïdale et les
première et deuxième parois peuvent être configurées pour être mises en
mouvement de rotation relatif l'une par rapport à l'autre par le système de
mise en mouvement afin de mettre en mouvement le support de
récupération le long de l'axe longitudinal du premier compartiment.
Dans un exemple de réalisation, un premier bord du support de
récupération peut être relié à la première paroi par une liaison glissière et
un deuxième bord dudit support peut être relié à la deuxième paroi par
une liaison hélicoïdale et les première et deuxième parois peuvent être
configurées pour être mises en mouvement de rotation relatif l'une par
rapport à l'autre par le système de mise en mouvement afin de mettre en
mouvement le support de récupération le long de l'axe longitudinal du
premier compartiment. Dans ce cas, le système de mise en mouvement
peut être configuré pour mettre en rotation la première paroi et la
deuxième paroi peut être configurée pour rester fixe.
La présente invention vise également un système à pile à
combustible comprenant :
- un dispositif tel que décrit plus haut, et
- une pile à combustible dont l'anode est reliée audit dispositif,
cette anode étant destinée à être alimentée par du dihydrogène gazeux
généré par ledit dispositif.
La présente invention vise également un aéronef équipé d'un
système tel que décrit plus haut.
La présente invention vise également un procédé de génération
de dihydrogène gazeux mettant en oeuvre un dispositif tel que décrit plus
haut dans lequel un matériau de stockage d'hydrogène est présent dans le
premier compartiment, le procédé comportant l'actionnement du système
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de convoyage par le système de mise en mouvement afin de transporter
le matériau de stockage d'hydrogène de l'entrée du deuxième
compartiment vers la sortie du deuxième compartiment, le matériau de
stockage d'hydrogène étant durant son transport dans le deuxième
compartiment chauffé par le système de chauffage afin de générer le
dihydrogène gazeux, le matériau de stockage d'hydrogène usagé étant
récupéré par le support de récupération en sortie du deuxième
compartiment.
Dans un exemple de réalisation, le matériau de stockage
d'hydrogène peut être sous forme granulaire.
La présente invention vise également un procédé d'alimentation
en dihydrogène d'une pile à combustible comprenant la génération de
dihydrogène gazeux par mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit plus
haut et l'acheminement du dihydrogène gazeux ainsi généré jusqu'à
l'anode d'une pile à combustible.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante de modes particuliers de réalisation de
l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux
dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un
exemple de dispositif selon l'invention,
- la figure 2 représente un détail du dispositif de la figure 1,
- la figure 3 représente un exemple de système selon
l'invention, et
- la figure 4 est une représentation schématique d'une
variante selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
On a représenté à la figure 1 un exemple de dispositif 1 de
génération de dihydrogène gazeux selon l'invention. Le dispositif 1
comporte un corps 2 délimitant un volume intérieur dans lequel est
présent un premier compartiment de stockage 4 délimité latéralement par
une première paroi 6. Le corps 2 s'étend le long d'un axe longitudinal X et
est délimité longitudinalement par une paroi de fond 17a et par une paroi
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supérieure 17b. Le corps 2 comporte en outre une paroi latérale 17c
entourant la première paroi 6 et le premier compartiment 4. Dans
l'exemple illustré, l'axe X constitue aussi l'axe longitudinal du premier
compartiment 4. Le premier compartiment 4 est délimité
longitudinalement par un fond 5a du premier compartiment et par la paroi
supérieure 17b. Un support de récupération, par exemple sous la forme
d'un plateau de récupération 15 comme illustré, est présent dans le
premier compartiment 4 et est configuré pour se déplacer le long de l'axe
longitudinal X du premier compartiment 4 comme il sera détaillé plus bas.
Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque le fond du
support de récupération présente une forme non plane comme une forme
concave ou convexe.
Un deuxième compartiment 8 de convoyage est présent dans le
volume intérieur délimité par le corps 2. Le premier compartiment 4
entoure le deuxième compartiment 8. Le deuxième compartiment 8
s'étend selon l'axe longitudinal X du premier compartiment 4. Une paroi 9
entoure latéralement le deuxième compartiment 8. La paroi 9 présente un
filetage hélicoïdal sur sa face située du côté du premier compartiment 4.
La paroi 9 présente une première extrémité située du côté du fond 5a du
premier compartiment 4. Une entrée 13a du deuxième compartiment 8
communiquant avec le premier compartiment 4 est située au niveau de
cette première extrémité. De la même manière, la paroi 9 présente une
deuxième extrémité située du côté de la paroi supérieure 17b. Une sortie
13b du deuxième compartiment 8 communiquant avec le premier
compartiment 4 et avec le plateau 15 est située au niveau de cette
deuxième extrémité.
Le premier compartiment 4 présente une partie inférieure 4a
située entre le fond 5a du premier compartiment et le plateau 15. Un
matériau de stockage d'hydrogène (non représenté) est destiné à être
présent dans la partie inférieure 4a du premier compartiment 4. La partie
inférieure 4a du premier compartiment 4 communique avec l'entrée 13a
du deuxième compartiment 8. Le premier compartiment 4 présente, en
outre, une partie supérieure 4b située entre le plateau 15 et la paroi
supérieure 17b. le matériau de stockage d'hydrogène usagé (non
35représenté) est destiné à être présent dans la partie supérieure 4b du
premier compartiment 4. La partie supérieure 4b du premier compartiment
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4 communique avec la sortie 13b du deuxième compartiment 8. Comme
illustré, la partie supérieure 4b du premier compartiment 4 est superposée
à la partie inférieure 4a du premier compartiment 4. La partie supérieure
4b du premier compartiment 4 est située au-dessus de la partie inférieure
4a du premier compartiment 4. Les parties inférieure 4a et supérieure 4b
du premier compartiment 4 sont décalées le long de l'axe longitudinal X du
premier compartiment 4. Le plateau 15 sépare la partie inférieure 4a du
premier compartiment 4 de la partie supérieure 4b du premier
compartiment 4.
Le matériau de stockage de l'hydrogène peut être sous forme
granulaire, par exemple sous la forme d'une poudre, de billes ou de
pastilles. Le matériau de stockage d'hydrogène peut par exemple être du
borazane ( Ammonia borane ). En variante, le matériau de stockage
d'hydrogène peut se présenter sous la forme de billes encapsulant
l'hydrogène, la paroi de ces billes étant apte à devenir perméable à
l'hydrogène sous l'effet de la chaleur. Dans ce cas, la paroi des billes peut
par exemple être en silice.
Un système de convoyage 11, dans l'exemple illustré sous la
forme d'une vis de convoyage, est présent dans le deuxième
compartiment 8 et est configuré pour transporter le matériau de stockage
d'hydrogène de l'entrée 13a du deuxième compartiment 8 vers la sortie
13b du deuxième compartiment 8. La vis de convoyage 11 peut être à
âme creuse ou pleine. La vis de convoyage 11 peut ou non être à pas
variable. La vis de convoyage 11 peut être formée d'un matériau
métallique, par exemple d'un acier, apte à être chauffé par induction.
Comme illustré, la vis de convoyage 11 s'étend dans l'exemple illustré le
long de l'axe longitudinal X. La vis de convoyage 11 est configurée pour
transporter le matériau de stockage d'hydrogène le long de l'axe
longitudinal X. La vis de convoyage 11 comporte un arbre 12 destiné à
être mis en rotation autour de l'axe longitudinal X par un système de mise
en mouvement (non représenté) lequel comprend un ou plusieurs
moteurs. La vis de convoyage 11 définit une spirale hélicoïdale 11a
permettant lors de la rotation de l'arbre 12 de transporter le matériau de
stockage de l'hydrogène dans le deuxième compartiment 8 le long de l'axe
longitudinal X. Dans l'exemple illustré, l'arbre 12 de la vis de convoyage 11
traverse la paroi de fond 17a au niveau d'un orifice 19 et est relié à un
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moteur du système de mise en mouvement situé à l'extérieur du corps 2.
Un système d'étanchéité comme une garniture mécanique peut être
présent au niveau de l'orifice 19 afin d'assurer l'étanchéité au dihydrogène
généré.
Dans l'exemple illustré, la vis de convoyage 11 et le mouvement
du plateau de récupération 15 sont actionnés par un même moteur du
système de mise en mouvement. La description qui suit détaille cet
aspect. L'arbre 12 est configuré pour entraîner en rotation la première
paroi 6. Plus précisément, l'arbre 12 est configuré pour entraîner en
rotation la première paroi 6 par l'intermédiaire d'un système d'engrenages
comprenant par exemple une roue dentée interne 20a coopérant avec une
ou plusieurs roues dentées externes 20b. La roue dentée interne 20a est
située du côté de l'arbre 12 et la ou les roues dentées externes 20b
coopèrent avec la première paroi 6. Avantageusement, le système
d'engrenage constitue un train épicycloïdal comprenant une roue dentée
interne 20a et plusieurs roues dentées externes 20b, la paroi 6 étant elle-
même dentée. On ne sort pas du cadre de l'invention lorsque le système
d'engrenages comporte plusieurs roues dentées internes chacune de ces
roues dentées internes étant reliée à une roue dentée externe. Par
conséquent, lorsque le système de mise en mouvement impose à l'arbre
12 un mouvement de rotation, ce mouvement de rotation est transmis par
l'intermédiaire du système d'engrenages à la première paroi 6. Un même
moteur du système de mise en mouvement permet donc d'actionner à la
fois le système de convoyage et la rotation de la première paroi 6. La
rotation de la première paroi 6 permet, quant à elle, d'actionner le
mouvement du plateau 15 dans le premier compartiment 4. En effet, le
plateau 15 présente un premier bord 15a relié à la première paroi 6 par
une liaison glissière 16. Ainsi, la première paroi 6 présente plusieurs
rainures s'étendant le long de l'axe X le long desquelles le plateau 15 peut
coulisser. Le plateau 15 présente un deuxième bord 15b relié à la
deuxième paroi 9 par une liaison hélicoïdale. Le système de mise en
mouvement est configuré pour mettre en rotation l'arbre 12 lequel est
configuré pour entraîner en rotation la première paroi 6. Durant la mise en
rotation de la première paroi 6, la deuxième paroi 9 et la paroi latérale 17c
du corps 2 restent fixes. La rotation de la première paroi 6 autour de l'axe
longitudinal X conduit le plateau 15 à effectuer un mouvement de
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translation selon l'axe longitudinal X combiné à un mouvement de rotation
autour de l'axe longitudinal X. On ne sort pas du cadre de l'invention
lorsque le système de mise en mouvement comporte un premier moteur
configuré pour actionner le système de convoyage et un deuxième
moteur, distinct du premier, configuré pour actionner la rotation de la
première paroi et le mouvement du plateau de récupération dans le
premier compartiment. On ne sort pas du cadre de l'invention lorsqu'un
bord du plateau de récupération est lié à la deuxième paroi par une liaison
glissière et lorsqu'un autre bord du plateau est lié à la première paroi par
une liaison hélicoïdale et lorsque le système de mise en mouvement est
configuré pour mettre les première et deuxième parois en mouvement de
rotation relatif afin de mettre en mouvement le plateau selon l'axe
longitudinal X. Dans ce cas, le système de mise en mouvement peut être
configuré pour mettre en rotation la deuxième paroi autour de l'axe X et la
première paroi peut rester fixe.
Le dispositif 1 comporte en outre un système de chauffage
configuré pour chauffer le deuxième compartiment 8. On a représenté à la
figure 2 un exemple de système de chauffage utilisable. Dans l'exemple
illustré, le dispositif 1 comporte un inducteur 18 permettant de réaliser un
chauffage par induction de la vis de convoyage 11 et par conséquent du
deuxième compartiment 8. Comme illustré, l'inducteur 18 s'étend le long
de l'axe longitudinal X. L'inducteur 18 entoure la vis de convoyage 11.
Dans l'exemple illustré, l'inducteur 18 est logé dans l'épaisseur de la paroi
9 laquelle est perméable au champ électromagnétique. L'invention n'est
toutefois pas limitée à un système de chauffage permettant de chauffer le
deuxième compartiment par induction. En effet, il est en variante possible
d'utiliser un chauffage résistif afin de chauffer le deuxième compartiment.
Dans ce dernier cas, un ou plusieurs fils résistifs chauffants peuvent être
présents dans le deuxième compartiment ou à proximité de ce dernier.
Le procédé de génération de dihydrogène mettant en oeuvre le
dispositif 1 illustré à la figure 1 va à présent être décrit. Initialement, le
matériau de stockage d'hydrogène est présent dans la partie inférieure 4a
du premier compartiment 4, la partie supérieure 4b du premier
compartiment 4 est dépourvue de matériau de stockage d'hydrogène
usagé et, comme illustré à la figure 1, le plateau 15 est positionné au
niveau de la sortie 13b du deuxième compartiment 8 (position haute). Le
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système de mise en mouvement est alors actionné afin d'imposer une
rotation à la vis de convoyage 11 autour de l'axe longitudinal X. Du fait de
la rotation de la vis de convoyage 11, le matériau de stockage
d'hydrogène présent à l'entrée 13a du deuxième compartiment 8 est
transporté vers la sortie 13b du deuxième compartiment 8. Durant son
transport au travers du deuxième compartiment 8, le matériau de
stockage d'hydrogène est chauffé par le système de chauffage afin de
libérer du dihydrogène gazeux. Par ailleurs, comme expliqué plus haut, la
mise en rotation de l'arbre 12 de la vis de convoyage 11 impose,
simultanément au transport du matériau de stockage d'hydrogène, la mise
en rotation de la première paroi 6 autour de l'axe longitudinal X et par
conséquent le déplacement du plateau 15 de récupération vers le bas.
Ainsi, au fur et à mesure du transport du matériau de stockage
d'hydrogène dans le deuxième compartiment 8, le volume de la partie
inférieure 4a du premier compartiment 4 diminue et le volume de la partie
supérieure 4b du premier compartiment 4 augmente. La somme du
volume de la partie inférieure 4a et du volume de la partie supérieure 4b
est constante durant le procédé de génération de dihydrogène gazeux.
Après la traversée du deuxième compartiment 8, le matériau de stockage
d'hydrogène usagé est récupéré par le plateau 15 en sortie du deuxième
compartiment 8. Au fur et à mesure de la génération de dihydrogène, la
partie supérieure 4b du premier compartiment 4 se remplit en matériau de
stockage d'hydrogène usagé et la partie inférieure 4a du premier
compartiment se vide en matériau de stockage d'hydrogène. Le
dihydrogène généré est évacué au travers d'un ou plusieurs orifices
d'évacuation (voir orifice 29 à la figure 3) présents sur la paroi supérieure
17b. Une fois le procédé de génération d'hydrogène terminé, le dispositif
est ouvert en retirant la paroi supérieure 17b et le matériau de stockage
d'hydrogène usagé est évacué du premier compartiment. Le plateau 15
est alors retiré et un chargement de matériau de stockage d'hydrogène
est introduit dans le premier compartiment en vue de la prochaine
utilisation. Le plateau 15 est ensuite repositionné dans le premier
compartiment puis le dispositif est refermé par placement de la paroi
supérieure 17b, le dispositif étant ainsi prêt pour une nouvelle utilisation.
On a représenté à la figure 3 un exemple de système à pile à
combustible selon l'invention. Un tel système comporte un dispositif 1
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selon l'invention, par exemple tel qu'illustré à la figure 1, ainsi qu'une
pile
à combustible 30. La pile à combustible 30 comporte une cathode 32, un
électrolyte 34 ainsi qu'une anode 36. Comme illustré à la figure 3, l'anode
36 communique avec l'orifice d'évacuation 29 présent sur la paroi
supérieure 17b du dispositif 1 par l'intermédiaire du canal 28. Le
dihydrogène généré est acheminé au travers du canal 28 depuis l'orifice
d'évacuation 29 vers l'anode 36. Dans un exemple de réalisation, on peut
ajouter entre l'orifice d'évacuation 29 et l'anode 36, un dispositif de
filtration du dihydrogène et éventuellement un détendeur ainsi qu'une
vanne, par exemple une électro-vanne.
Le système selon l'invention peut avantageusement être
présent dans un aéronef, par exemple afin d'alimenter différents systèmes
secondaires de l'aéronef (systèmes n'assurant pas le déplacement de
l'aéronef) comme le système de ventilation de la cabine, les cuisines
présentes dans l'aéronef ou le système de dégivrage de l'aéronef. En
variante, le système selon l'invention peut être présent dans un aéronef et
peut fournir de l'énergie utile pour le déplacement de l'aéronef. L'énergie
produite par ledit système peut par exemple être utilisée pour réaliser une
phase de roulage et/ou une phase de vol. Le système selon l'invention
peut, en particulier, être intégré à un aéronef à propulsion électrique. Le
système selon l'invention peut encore faire partie du groupe auxiliaire de
puissance d'un aéronef. La mise en oeuvre du système selon l'invention
est avantageuse dans la mesure où elle permet d'éviter la consommation
de carburant fossile.
On a représenté à la figure 4 une variante de réalisation dans
laquelle un même moteur M du système de mise en mouvement est
configure pour actionner le système de convoyage et le mouvement du
support de récupération par l'intermédiaire d'un accouplement
magnétique. Dans l'exemple illustré à la figure 4 la paroi de fond 17'a est
présente entre un premier élément magnétique rotatif 25a et un deuxième
élément magnétique rotatif 25b. Le premier élément magnétique 25a est
présent à l'extérieur du corps 2 et le deuxième élément magnétique 25b
est présent à l'intérieur du corps 2 et est connecté à l'arbre de la vis de
convoyage 11. Il n'y a pas de contact mécanique entre le premier élément
magnétique 25a et le deuxième élément magnétique 25b. Le moteur M du
système de mise en mouvement impose une rotation au premier élément
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magnétique 25a. Du fait de cette rotation, le deuxième élément
magnétique 25b est entraîné en rotation autour de l'axe X (accouplement
magnétique), ce qui a pour effet de mettre en rotation de la vis de
convoyage 11 et donc d'actionner le système de convoyage. La rotation de
l'arbre de la vis de convoyage 11 entraîne par ailleurs en rotation un
système d'engrenages comprenant par exemple, comme illustré, une roue
dentée interne 20'a coopérant avec une ou plusieurs roues dentées
externes 20'b , ces dernières coopérant avec la première paroi 6, la paroi
6 étant elle-même dentée. Par conséquent, lorsque le système de mise en
mouvement impose un mouvement de rotation au deuxième élément
magnétique 25b, ce mouvement de rotation est transmis par
l'intermédiaire du système d'engrenages à la première paroi 6, ce qui
permet d'actionner le mouvement du plateau 15 dans le premier
compartiment 4. Dans l'exemple illustré, le premier bord 15a du plateau
15 est relié à la première paroi 6 par une liaison glissière 16 et le
deuxième bord 15b du plateau 15 est relié à la deuxième paroi 9 par une
liaison hélicoïdale 16a. Dans cet exemple de réalisation, la deuxième paroi
9 demeure fixe lors de la rotation de la première paroi 6.
Cette solution mettant en oeuvre un accouplement magnétique
fournit avantageusement une excellente étanchéité au dihydrogène
généré du fait de la mise en oeuvre d'une paroi de fond 17'a non percée et
constitue une solution plus simple à réaliser que celle employant une
garniture mécanique.
L'expression compris(e) entre ... et ... ou allant de ... à
doit se comprendre comme incluant les bornes.
