FR3063329A1 - Dispositif de stockage d'hydrogene - Google Patents
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Abstract
Dispositif (100) de stockage d'hydrogène comprenant : - un premier matériau (111) de stockage métastable d'hydrogène par sorption, et - un deuxième matériau (121) de stockage réversible d'hydrogène par sorption, le dispositif comprenant une chambre (110) au sein de laquelle le premier matériau (111) est disposé, et le deuxième matériau étant en communication fluidique avec le premier matériau, ladite communication fluidique étant directe ou se faisant par l'intermédiaire de moyens de communication fluidique, de sorte que le deuxième matériau permet de stocker de manière réversible de l'hydrogène désorbé par le premier matériau.
Description
Mandataire(s) : REGIMBEAU.
DISPOSITIF DE STOCKAGE D'HYDROGENE.
FR 3 063 329 - A1
Dispositif (100) de stockage d'hydrogène comprenant:
- un premier matériau (111) de stockage métastable d'hydrogène par sorption, et
- un deuxième matériau (121) de stockage réversible d'hydrogène par sorption, le dispositif comprenant une chambre (110) au sein de laquelle le premier matériau (111) est disposé, et le deuxième matériau étant en communication fluidique avec le premier matériau, ladite communication fluidique étant directe ou se faisant par l'intermédiaire de moyens de communication fluidique, de sorte que le deuxième matériau permet de stocker de manière réversible de l'hydrogène désorbé par le premier matériau.
i
Domaine de l’invention
L’invention concerne un dispositif de stockage d’hydrogène. L’invention concerne également un système et un procédé associés.
Etat de l’art
II existe des dispositifs de stockage d’hydrogène. Ces dispositifs peuvent comprendre un matériau permettant de stocker l’hydrogène. II peut s’agir d’un matériau métastable. Ce type de matériau permet de stocker des quantités importantes d’hydrogène. Cependant ce type de matériau nécessite d’être chauffé lorsqu’il est utilisé pour fournir un débit significatif. Par ailleurs, même lors de son stockage, le matériau métastable libère toujours de petites quantités d’hydrogène dans le temps.
Ces dispositifs doivent obéir à de multiples contraintes, liées à l’utilisation à laquelle ils sont destinés, par exemple des conditions de stockage ou d’utilisation particulières, par exemple une utilisation dans un véhicule à moteur et/ou pour alimenter une pile à combustible.
Une capacité de stockage et un débit suffisants pour assurer l’utilisation envisagée sont donc requis. Cependant le stockage d’une grande quantité d’hydrogène peut poser des problèmes de sécurité, notamment lorsque le dispositif doit pouvoir être utilisé ou être stocké pour un temps prolongé et/ou sous des températures élevées. II est possible de concevoir un tel dispositif en cherchant à renforcer ses parois pour leur permettre de résister à des pressions auxquelles elles peuvent être soumises, par exemple à haute température. Cependant ceci pose des problèmes de coût de fabrication et de poids élevé du dispositif, alors qu’un risque de sécurité perdure.
Résumé de l’invention
Un but de l’invention est de fournir un dispositif de stockage qui résout au moins l’un des inconvénients de l’art antérieur.
Un but de l’invention est en particulier de fournir un système efficace et sécurisé.
A cet effet, il est prévu un dispositif de stockage d’hydrogène comprenant :
un premier matériau de stockage métastable d’hydrogène par sorption, et un deuxième matériau de stockage réversible d’hydrogène par sorption, le dispositif comprenant une chambre, dite première chambre, au sein de laquelle le premier matériau est disposé, et le deuxième matériau étant en communication fluidique avec le premier matériau, ladite communication fluidique étant directe ou se faisant par l’intermédiaire de moyens de communication fluidique, de sorte que le deuxième matériau permet de stocker de manière réversible de l’hydrogène désorbé par le premier matériau.
Ces caractéristiques sont avantageusement complétées par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- le dispositif est configuré de sorte que l’hydrogène ainsi stocké dans le deuxième matériau peut être libéré lorsque le dispositif fournit de l’hydrogène
- le premier matériau et le deuxième matériau sont maintenus en permanence en communication fluidique,
- une deuxième chambre au sein de laquelle le deuxième matériau est disposé,
- le premier matériau et le deuxième matériau étant adaptés pour fournir un flux d’hydrogène suffisant pour le fonctionnement d’une unité d’utilisation d’hydrogène, en particulier pour une pression d’entrée de l’unité supérieure ou égale à 1,5 bars, en particulier à 2,5 bars, en particulier à 5 bars, en particulier à 10 bars,
- le deuxième matériau est adapté pour former un hydrure métallique, de préférence du type LaNis, FeTi, TiCr, TiV, TiZr et/ou TiMn2,
- le premier matériau est adapté pour former un hydrure, de préférence un hydrure métallique, par exemple de l’alane, par exemple au moins une phase d’alane, par exemple de l’alane alpha, par exemple de l’alane alpha prime, et/ou du borazane et/ou du 1,2-di-amineborane, et/ou de l’hydrure de lithium et/ou de l’hydrure d’aluminium et de lithium,
- une valve de surpression adaptée pour permettre l’échappement de gaz, de préférence au-delà d’une certaine pression, de préférence comprise entre 5 et 90 bars,
- des moyens de chauffage du premier matériau et/ou du deuxième matériau.
L’invention concerne également un système de stockage et de fourniture d’hydrogène comprenant un tel dispositif et une unité d’utilisation d’hydrogène.
Ces caractéristiques sont avantageusement complétées par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- des moyens de commande adaptés pour commander le dispositif,
- des moyens de chauffage du premier matériau et/ou du deuxième matériau.
L’invention concerne en outre un procédé de fonctionnement d’un tel dispositif ou d’un tel système.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront lors de la description ci-après d’un mode de réalisation. Aux dessins annexés :
- la figure 1 représente un dispositif selon un exemple de mode de réalisation de l’invention,
- la figure 2 représente sous forme de diagramme le comportement de désorption du dispositif selon un exemple de mode de réalisation,
- la figure 3 représente sous forme de diagramme la pression en fonction du temps selon un exemple de mode de réalisation de l’invention,
- la figure 4 représente un système selon un exemple de mode de réalisation de l’invention,
- la figure 5 représente un procédé selon un exemple de mode de réalisation de l’invention,
- la figure 6 représente un exemple de différences de comportement entre un matériau de stockage réversible et un matériau de stockage métastable.
Description détaillée de l’invention
Dispositif de stockage d’hydrogène
Présentation générale
En référence à la figure 1, il est décrit un dispositif 100 de stockage d’hydrogène.
Le dispositif 100 est par exemple adapté pour fournir de l’hydrogène à une unité d’utilisation d’hydrogène telle que décrite ci-après. Le dispositif 100 est par exemple configuré pour faire partie d’un système tel que décrit ci-après. Le dispositif 100 est par exemple configuré pour former un dispositif échangeable et/ou amovible du système tel que décrit ci-après. Le dispositif forme par exemple une cartouche.
Premier matériau
Le dispositif 100 comprend un premier matériau 111 de stockage d’hydrogène. Le premier matériau 111 est par exemple un matériau de stockage d’hydrogène, par exemple par sorption.
Par sorption, on entend le processus par lequel une substance est adsorbée ou absorbée sur ou dans une autre substance. Par absorption, on entend la capacité d’un matériau à retenir des molécules dans son volume. Par adsorption, on entend la capacité d'un matériau à retenir des molécules à sa surface.
Le premier matériau 111 peut être un matériau solide ou sous forme de gel. Le premier matériau 111 peut être un matériau de stockage par adsorption et/ou absorption. Le premier matériau 111 peut être un matériau de stockage par hydruration et/ou déshydruration.
Le premier matériau 111 comprend ou est un matériau de stockage d’hydrogène, par exemple pour former un hydrure, de préférence un hydrure métallique, par exemple de l’alane, par exemple au moins une phase d’alane, par exemple de l’alane alpha, par exemple de l’alane alpha prime, et/ou du borazane (ΒΗβΝ) et/ou du 1,2-di-amineborane (aussi appelé EDAB, BH3NH2CH2CH2NH2BH3), et/ou de l’hydrure de lithium (LiH) et/ou de l’hydrure d’aluminium et de lithium (LiAlHU).
Le premier matériau est un matériau de stockage métastable d’hydrogène.
Par métastable, on entend un matériau qui, dans des domaines usuels de pression (c’est-à-dire moins de 200 bars), sera toujours en régime de désorption d’hydrogène.
La figure 6 illustre ainsi la différence entre un matériau métastable, par exemple de l’alane, et un matériau réversible (non métastable), par exemple de type TiMn2. Sur cette figure sont représentées des courbes d’équilibre d’absorption ou d’adsorption ou de désorption c’est-à-dire des courbes représentant la pression d’équilibre d’absorption, d’adsorption ou de désorption, en l’espèce le logarithme népérien de cette pression, en fonction de la concentration en hydrogène au sein du matériau, par exemple exprimée en pourcentage massique, par exemple à une température donnée, par exemple à 80°C. Au-dessus de la courbe, le matériau est en zone de charge et capte donc de l’hydrogène. Au-dessous de la courbe, le matériau est en zone de décharge et libère donc de l’hydrogène. II est à noter que cette figure est schématique et qu’en réalité, les courbes d’absorption ou d’adsorption et les courbes de désorption ne sont pas nécessairement confondues mais gardent un profil et des ordres de grandeurs similaires.
La courbe d’équilibre du matériau de stockage réversible dépend typiquement de la température : plus la température est élevée, plus la pression d’équilibre est élevée et plus la zone de décharge s’agrandit. La courbe présente une première section de pressions basses croissante, une deuxième section de pressions moyennes sensiblement stable ou plus faiblement croissante, et une troisième section de pressions hautes à nouveau croissante. La deuxième section est typiquement bien inférieure à 200 bars.
La courbe d’équilibre du matériau de stockage métastable présente une première section de pressions basses croissante, une deuxième section de pressions moyennes sensiblement stable ou plus faiblement croissante, et une troisième section de pressions hautes à nouveau croissante. La deuxième section est typiquement bien supérieure à celle d’un matériau de stockage réversible, par exemple bien supérieure à 200 bars, par exemple de l’ordre de plusieurs milliers de bars. Ainsi dans des conditions de fonctionnement ou usuelles, le matériau de stockage métastable est typiquement toujours en train de désorber de l’hydrogène et non d’en capter.
Le premier matériau 111a par exemple une porosité inférieure ou égale à 70%, de préférence inférieure ou égale à 50%, de préférence inférieure ou égale à 30%, en volume. Une porosité réduite permet une meilleure capacité de stockage puisqu’une plus grande partie du volume du premier matériau 111 permet alors effectivement le stockage d’hydrogène sous forme solide.
Sauf mention contraire, les termes premier, deuxième et autres ordinaux sont utilisés simplement pour lister des éléments et ne préjugent pas d’un ordre entre ces éléments.
Première chambre
Le dispositif comprend une première chambre 110. Le premier matériau 111 est par exemple disposé au sein de la première chambre
110.
La première chambre 110 peut comprendre une ou plusieurs parois et/ou cloisons. La première chambre 110 peut former un ou plusieurs compartiment(s).
Deuxième matériau
Le dispositif 100 comprend un deuxième matériau 121 de stockage d’hydrogène. Le deuxième matériau est par exemple un matériau de stockage réversible d’hydrogène, par exemple par sorption.
Le deuxième matériau peut être un matériau solide ou sous forme de gel. Le deuxième matériau peut être un matériau de stockage par adsorption et/ou absorption. Le deuxième matériau peut être un matériau de stockage par hydruration et/ou déshydruration.
Par réversible, on entend qu’un matériau initialement chargé et qui a été au moins partiellement déchargé peut-être au moins partiellement rechargé dans le milieu dans lequel est placé le matériau, par exemple un milieu constitué de dihydrogène gazeux.
On peut par convention définir le rechargement partiel comme étant un rechargement à une pression inférieure ou égale à 200 bars, dans une plage de température adaptée pour le rechargement du matériau à la pression considérée, par exemple à une température optimale pour le rechargement du matériau, par exemple de sorte à atteindre un taux de charge donné, par exemple 50%, par exemple de sorte à augmenter le taux de charge d’un pourcentage donné par exemple d’au moins 10%.
Le deuxième matériau 121 comprend ou est un matériau de stockage d’hydrogène, par exemple adapté pour former un hydrure, par exemple de manière réversible, par exemple pour des températures allant de -10°C à 100°C. II est ainsi possible d’obtenir un dispositif fonctionnant sur une vaste plage de conditions de stockage.
Le deuxième matériau 121 comprend ou est un matériau de stockage d’hydrogène, par exemple adapté pour former un hydrure, par exemple un hydrure métallique, par exemple à température ambiante, par exemple pour des températures allant de -50°C à 100°C.
Le deuxième matériau 121 est par exemple adapté pour stocker de l’hydrogène qui lui est fourni à une pression, par exemple une pression inférieure à la pression maximale du dispositif 100, par exemple à une température ambiante, par exemple à 20°C, par exemple une pression d’environ 4 bars.
Par pression maximale du dispositif, on entend une pression à laquelle le dispositif n’est pas endommagé lorsqu’il est placé en fonctionnement. La pression maximale du dispositif est par exemple inférieure ou égale à 300 bars, par exemple égale à 300 bars, par exemple inférieure ou égale à 100 bars, par exemple égale à 100 bars, par exemple supérieure ou égale à 20 bars, par exemple égale à 20 bars.
Le deuxième matériau 121 comprend ou est par exemple un alliage métallique adapté pour former un hydrure, par exemple à température ambiante, par exemple pour des températures allant de -10°C à 100°C.
Le deuxième matériau 121 comprend par exemple une poudre.
Le deuxième matériau 121 peut comprendre ou être constitué d’un alliage métallique, par exemple un composé intermétallique, de type AnBm, où A et B sont des éléments chimiques métalliques, et n et m des entiers naturels supérieurs ou égaux à 1, par exemple de type ABm, par exemple AB2 ou AB5, par exemple de type AnB, par exemple A2B, par exemple AB.
Le deuxième matériau 121 peut comprendre ou être constitué d’un alliage métallique, par exemple un composé intermétallique, par exemple comprenant du fer et/ou du vanadium et/ou du titane et/ou du zirconium et/ou du magnésium. Le deuxième matériau 121 peut comprendre ou être constitué d’au moins un alliage de type LaNis et/ou FeTi et/ou TiCr et/ou TiV et/ou TiZr et/ou TiMn2, et/ou le ou les hydrure(s) correspondant(s). Le deuxième matériau 121 peut également comprendre ou être constitué d’au moins un hydrure de type NaAlFU et/ou L1NH2 et/ou LiBFU, la ou les forme(s) déshydrogénée(s) correspondante(s). Le deuxième matériau 121 peut comprendre ou être constitué d’un alliage de type Ti(i-y)Zry(MnVFe)2 avec y supérieur ou égal à 0 et y inférieur ou égal à 1.
En particulier le deuxième matériau 121 peut comprendre ou être constitué d’un tel alliage, le deuxième matériau 121 ayant une fraction massique en zirconium comprise entre 1% et 15%, par exemple entre 3% ίο et 10%, par exemple sensiblement égale à 6%. L’utilisation de telles fractions massiques est particulièrement adaptée à des applications liées aux piles à combustibles pour un véhicule.
Le deuxième matériau 121 a par exemple une porosité inférieure ou égale à 70%, de préférence inférieure ou égale à 60%, de préférence inférieure ou égale à 50%, en volume.
Stockage réversible d’hydrogène désorbé par le premier matériau
Le deuxième matériau 121 est par exemple en communication fluidique avec le premier matériau 111, ladite communication fluidique étant directe ou se faisant par l’intermédiaire de moyens de communication fluidique, de sorte que le deuxième matériau 121 permet de stocker de manière réversible de l’hydrogène désorbé par le premier matériau 111.
II est ainsi possible de stocker de manière compacte, par sorption, l’hydrogène désorbé par le premier matériau.
Le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121 peuvent ainsi être agencés de sorte que le deuxième matériau permet d’absorber/adsorber de manière réversible de l’hydrogène libéré par le premier matériau.
En effet, le premier matériau étant métastable, même à température ambiante, il libère de manière continue de petites quantités d’hydrogène, qui à terme provoquent une augmentation de la pression au sein du dispositif et limiteraient autrement le temps de stockage ou les conditions de stockage du dispositif.
II est ainsi possible d’obtenir un dispositif présentant une capacité de stockage satisfaisante en employant un matériau de stockage métastable, sans présenter de risque de sécurité, notamment lorsqu’il est stocké pour une période longue et/ou avec une augmentation de température, grâce au deuxième matériau.
Le dispositif, par exemple le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121, peut être agencé, de sorte que le deuxième matériau permet de capter et/ou de stocker de manière réversible de l’hydrogène libéré par le premier matériau au fur et à mesure que l’hydrogène est libéré, par exemple au cours d’une période de stockage du dispositif, par exemple lorsque le dispositif n’est pas en fonctionnement, par exemple lorsque le dispositif n’est pas utilisé pour fournir de l’hydrogène, par exemple lorsque des moyens d’entrée et/ou de sortie d’hydrogène 160 tels que décrits ci-après sont en position fermée.
Le dispositif, par exemple le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121, peut être agencé, de sorte que le deuxième matériau permet de stocker de manière réversible de l’hydrogène libéré par le premier matériau de sorte à limiter une augmentation de pression au sein de la première chambre 110 résultant de la libération d’hydrogène dans le temps, par exemple lors d’une augmentation de température.
Un tel dispositif permet également de se passer de soupape de sûreté, ou du moins d’en limiter l’usage à des cas extrêmes. Ceci permet d’éviter ou de limiter les inconvénients associés à une telle soupape, tels que des pertes d’hydrogène dès que la température augmente, les risques de sécurité qu’impliquent de tels dégagements d’hydrogène, et les risques liés au défaut de fonctionnement de telles soupapes, et les opérations de maintenance sur de telles soupapes qui seraient nécessaires, ainsi que les risques de défaut de fonctionnement de telles soupapes liées au rejet de matières solides lors du rejet d'hydrogène. Un tel dispositif permet également de s’affranchir de conditions contraignantes de stockage et de transport, notamment en termes de température et de durée. Ceci permet d’éviter ou de limiter les inconvénients associés à de telles contraintes, telles que la complexité de mettre en œuvre ces conditions depuis la fabrication jusqu’à l’utilisation du dispositif alors que des domaines d’application tels que le domaine automobile sont déjà soumis à de nombreuses règles, telles que les limites des possibilités de transport, notamment par voie maritime ou terrestre, où des températures élevées peuvent avoir à être tolérées, telles que des risques additionnels dans le cas de soumission accidentelle du dispositif à des températures très importantes comme en cas d’incendie et telles que la limitation des possibilités logistiques de déploiement des dispositifs de stockage et donc de leur mise à disposition.
Un tel dispositif est également plus avantageux qu’un conteneur spécialement renforcé pour offrir une plus grande stabilité. En effet, il est ainsi possible d’éviter une réduction drastique de la capacité de stockage gravimétrique, une réduction de la capacité de de stockage volumétrique, et une réduction d’efficacité et du transfert de chaleur résultant du chauffage d’une plus grande quantité de matière sans fonction de stockage. En outre, il est ainsi possible d’éviter l’importante augmentation de masse associée aux conteneurs spécialement renforcés et les inconvénients qu’elle présente pour l’utilisateur, ainsi que la nécessité de dimensionner également l’entrée et/ou la sortie du dispositif pour résister aux conditions envisagées, notamment à des pressions élevées.
Un tel dispositif est également plus avantageux que de réaliser un dispositif avec un volume additionnel non occupé par un matériau de stockage. En effet, il est ainsi possible d’éviter une réduction drastique de la capacité de stockage volumétrique et une réduction de la capacité de de stockage gravimétrique. Il est ainsi possible de proposer une solution plus avantageuse, le volume additionnel n’offrant qu’un avantage limité en termes de réduction de pression de par la faible densité de l’hydrogène gazeux. En outre, il est ainsi possible d’éviter l’augmentation de masse et de volume associée à un conteneur ayant un plus grand volume interne et les inconvénients qu’elle présente pour l’utilisateur.
Un tel dispositif permet ainsi une meilleure tolérance aux températures élevées et/ou aux temps de stockage importants et/ou une meilleure sécurité lors du stockage tout en restant performant en termes de fourniture d’hydrogène et de chargement.
Un tel dispositif implique des pertes réduites d’hydrogène, l’hydrogène stocké par le deuxième matériau 121 pouvant être libéré par la suite lors de l’utilisation du dispositif. En effet, les températures d’utilisation d’un matériau de stockage métastable sont telles vis-à-vis des pressions d’équilibre du deuxième matériau 121 que tout l’hydrogène stocké dans le deuxième matériau 121 peut alors être libéré.
Par communication fluidique directe entre deux matériaux de stockage d’hydrogène, on entend par exemple que les deux matériaux peuvent être en contact ou mis en contact, ou qu’ils peuvent être disposés à distance l’un de l’autre dans le même espace sans obstacle empêchant la circulation de gaz, par exemple d’hydrogène, entre les deux matériaux.
Par moyens de communication fluidique entre deux matériaux, on entend toute structure permettant de mettre en œuvre une communication fluidique entre les deux matériaux, la communication fluidique pouvant être ou non permanente.
Conditions d’utilisation
Le deuxième matériau 121 est par exemple adapté, par exemple ajusté par rapport au premier matériau 111, pour augmenter le temps de stockage du dispositif 100 par exemple à une pression inférieure ou égale à 90 bars, par exemple inférieure ou égale à 60 bars, par exemple inférieure ou égale à 30 bars, par exemple d’environ 15 bars, par exemple lors du stockage du dispositif.
En stockage, le dispositif 100 est par exemple configuré de sorte que, l’hydrogène libéré par le premier matériau 111 provoque une augmentation de pression au sein du dispositif jusqu’à atteindre la pression d’équilibre de sorption, par exemple d’absorption, par exemple d’adsorption, du deuxième matériau 121. Le deuxième matériau 121 stocke alors, par exemple absorbe ou adsorbe, de l’hydrogène émis par le premier matériau 111, la pression augmentant suivant la courbe d’équilibre de pression du deuxième matériau 121. Au fur et à mesure que de plus en plus d’hydrogène est stocké dans le deuxième matériau, la pression équilibre de sorption du deuxième matériau augmente à une vitesse de plus en plus élevée, par exemple jusqu’à atteindre la pression maximale du dispositif 100, et/ou une première et/ou deuxième pression de seuil telles que décrites ci-après. II est ainsi possible de réduire l’augmentation de pression au sein de la première chambre en fonction de la pression d’équilibre de sorption du deuxième matériau 121.
Par pression d’équilibre de désorption d’un matériau à une température donnée et à un taux de charge donné, on entend la pression minimale de gaz exercée sur le matériau pour laquelle il n'y a pas de libération d’hydrogène. A une pression infinitésimalement inferieure, de l’hydrogène est libéré.
Par pression d’équilibre de d’absorption ou d’adsorption d’un matériau à une température donnée et à un taux de charge donné, on entend la pression maximum de gaz exercée sur le matériau pour laquelle il n'y a pas d’absorption ou adsorption d’hydrogène. A une pression infinitésimalement supérieure, de l’hydrogène est absorbé ou adsorbé.
Le taux de charge est par exemple exprimé en pourcentage.
Le taux de charge peut être défini comme le ratio de la masse d'hydrogène introduite dans le système sur la masse maximum d'hydrogène que le système peut contenir, à la température donnée.
On peut, par convention, définir que la masse maximum, et donc le taux de charge, est calculé à une pression de référence, par exemple 200 bars.
En outre, le deuxième matériau 121 permet de stocker l’hydrogène libéré dans un volume réduit, de manière compacte, de sorte que le temps avant d’atteindre des pressions élevées, par exemple la pression maximale du dispositif et/ou une première pression de seuil ou une deuxième pression de seuil telles que définies ci-après, s’en trouve repoussé de manière significative même avec une faible quantité de deuxième matériau 121.
Le dispositif est par exemple conçu pour atteindre un compromis entre la masse additionnelle due au deuxième matériau et la prolongation de temps de stockage du dispositif ainsi permise. En particulier, à une température plus élevée le débit de libération de l’hydrogène est également plus important. Ainsi un dispositif dimensionné selon un ratio prédéterminé entre le premier et le deuxième matériaux peut atteindre la pression maximale du dispositif et/ou une premier pression de seuil ou une deuxième pression de seuil telles que définies ci-après, pour un temps ti à une température Ti et un temps t2 à une température T2 avec ti < t2 et Τι > T2.
Le deuxième matériau 121 présente par exemple un volume strictement inférieur à celui du premier matériau 111, par exemple inférieur ou égal à 50 %, par exemple inférieur ou égal à 25 %, par exemple supérieur ou égal à 10 % du volume du premier matériau 111.
Le deuxième matériau 121 est par exemple configuré de sorte à pouvoir absorber l’hydrogène libéré du premier matériau 111 de sorte à prolonger le temps jusqu’à dépasser la pression maximale du dispositif et/ou une première pression de seuil ou une deuxième pression de seuil telles que définies ci-après, dans la première chambre 110, par exemple à la température ambiante, par exemple à la température maximale, et/ou une première et/ou deuxième pression de seuil telles que décrites ciaprès.
La fraction massique en deuxième matériau 121 est par exemple inférieure à 50 %, par exemple à 25 %, par exemple à 10 % du premier matériau 111.
Le deuxième matériau 121 présente par exemple une capacité de stockage en hydrogène strictement inférieure à celle du premier matériau 111, par exemple inférieure ou égale à 8%, par exemple inférieure ou égale à 2%, par exemple supérieure ou égale à 1% de la capacité de stockage en hydrogène du premier matériau, par exemple à une pression donnée, par exemple à 4 bar, par exemple à une température donnée, par exemple à 20°C. Ainsi, pour de faibles capacités de stockage de deuxième matériau, le temps de stockage peut être fortement prolongé.
Moyens de chauffage
Le dispositif 100 peut comprendre des moyens de chauffage 113 du premier matériau 111 et/ou du deuxième matériau 121. Alternativement ou en complément, le dispositif peut être adapté pour permettre le chauffage du premier matériau 111 et/ou du deuxième matériau 121 par des moyens de chauffage 113 du système. Les moyens de chauffage 113 sont par exemple adaptés pour chauffer le premier matériau 111 et/ou le deuxième matériau 121 à une température d’opération du premier matériau 111 et/ou du deuxième matériau 121.
Le dispositif peut comprendre un ou plusieurs matériaux améliorant le transfert thermique et/ou la conservation des performances au cours des cycles et/ou la perméabilité et/ou d’autres fonctions pertinentes pour l’application envisagée.
Le premier matériau 111 est par exemple plus proche des moyens de chauffage 113 que le deuxième matériau 121. Le premier matériau 111 est par exemple disposé entre les moyens de chauffage 113 et le deuxième matériau 121. II est ainsi possible de chauffer en priorité le premier matériau 111.
Les moyens de chauffage comprennent par exemple une unité de chauffage, par exemple au moins une résistance et/ou un échangeur de chaleur.
Moyens de sortie d’hydrogène
Le dispositif 100 peut comprendre des moyens de sortie d’hydrogène 160, par exemple pour permettre à de l’hydrogène de sortir du dispositif, par exemple pour décharger de l’hydrogène gazeux. Les moyens de sortie d’hydrogène 160 comprennent par exemple une valve de sortie. Les moyens de sortie d’hydrogène 160 sont par exemple maintenus en permanence en communication fluidique avec la première chambre 110 et/ou avec le premier matériau 111. Les moyens de sortie d’hydrogène 160 sont par exemple disposés au niveau de la première chambre 110 et/ou au niveau du premier matériau 111.
Les moyens de sortie d’hydrogène 160 sont par exemple mobiles entre une position ouverte, dans laquelle de l’hydrogène peut sortir du dispositif par lesdits moyens, et une position fermée, dans laquelle de l’hydrogène ne peut pas entrer et/ou sortir du dispositif par lesdits moyens.
Première valve de surpression
Le dispositif 100 peut comprendre une première valve de surpression adaptée pour permettre l’échappement de gaz, par exemple d’hydrogène gazeux, par exemple depuis le dispositif 100, par exemple depuis la première chambre 110, par exemple vers l’extérieur du dispositif, par exemple vers l’extérieur d’une enceinte externe telle que décrite ciaprès, par exemple de sorte à limiter la pression du dispositif et/ou à éviter une surpression du dispositif 100, par exemple au-delà d’une première pression de seuil, par exemple inférieure ou égale à la pression maximale du dispositif 100. La première pression de seuil, est par exemple inférieure ou égale à 90 bars, par exemple inférieure ou égale à 60 bars, par exemple inférieure ou égale à 30 bars, par exemple d’environ 15 bars.
Disposition du deuxième matériau
Le deuxième matériau est par exemple disposé au moins partiellement dans la première chambre 110. Le deuxième matériau comprend par exemple une pluralité de parties distinctes disposés dans la première chambre 110, la pluralité de parties distinctes comprenant au moins deux parties disposées de sorte à ne pas être en contact l’une avec l’autre. Un tel dispositif présente comme avantage d’être simple à réaliser.
Le dispositif 100 peut comprendre une deuxième chambre. Le deuxième matériau 121 est par exemple disposé au sein de la deuxième chambre. La deuxième chambre forme par exemple un élément distinct et/ou séparé de la première chambre. Un tel dispositif est par exemple plus modulaire ou permet une réalisation plus modulaire permettant d’associer différents types de premières chambres avec différents types de deuxièmes chambres.
II est ainsi possible d’obtenir un dispositif adapté pour fournir un débit d’hydrogène suffisant pour le fonctionnement d’une unité d’utilisation, par exemple au moyen du premier matériau, et qui maintient lors de son stockage une pression relativement basse lorsqu’il est stocké pour une période de long temps et/ou avec une augmentation de température, par exemple au moyen du deuxième matériau.
La deuxième chambre présente par exemple un volume strictement inférieur à celui de la première chambre 110, par exemple inférieur ou égal à 50 %, par exemple inférieur ou égal à 25 %, par exemple supérieur ou égal à 10 % du volume de la première chambre 110.
La deuxième chambre est par exemple une chambre tampon.
La deuxième chambre est par exemple disposée au sein de la première chambre 110. Alternativement, la deuxième chambre est par exemple disposée de manière contigüe par rapport à la première chambre
110.
Enceintes
Le dispositif 100 comprend par exemple une enceinte externe 130, qui forme par exemple une enveloppe externe du dispositif. Le premier matériau 111 et/ou le deuxième matériau 121, et/ou la première chambre 110 est ou sont par exemple disposé(e)(s) à l’intérieur de l’enceinte externe 130. L’enceinte externe 130 s’étend par exemple autour du premier matériau 111 et/ou du deuxième matériau 121, et/ou de la première chambre 110. L’enceinte externe 130 forme par exemple un conteneur.
Le dispositif comprend par exemple une première enceinte 114. La première chambre 110 s’étend par exemple à l’intérieur de la première enceinte 114. La première enceinte 114 s’étend par exemple autour de la première chambre 110. La première enceinte 114 délimite et/ou définit par exemple la première chambre 110.
Le dispositif comprend par exemple une deuxième enceinte 124. La première chambre 110 s’étend par exemple à l’intérieur de la deuxième enceinte 124. La deuxième enceinte 124 s’étend par exemple autour de la première chambre 110. La deuxième enceinte 124 délimite et/ou définit par exemple la première chambre 110.
La deuxième enceinte 124 s’étend par exemple au sein de la première enceinte 114. Au moins une paroi de la première enceinte 114 est par exemple contigüe d’au moins une paroi de la deuxième enceinte 124. Alternativement, la deuxième enceinte 124 est par exemple disposée à distance des parois de la première enceinte 114, par exemple au sein du premier matériau 110.
L’enceinte externe, la première enceinte et/ou la deuxième enceinte est par exemple métallique.
Moyens de communication fluidique
Le dispositif peut comprendre des moyens de communication fluidique entre la première chambre 110 et la deuxième chambre.
Les moyens de communication fluidique 122 peuvent permettre le passage d’un flux d’hydrogène de la première chambre 110 vers la deuxième chambre et/ou de la deuxième chambre vers la première chambre 110.
Les moyens de communication fluidique 122 comprennent par exemple au moins une ouverture et/ou canalisation, par exemple une pluralité d’ouvertures et/ou de canalisations, connectant la première chambre 110 et la deuxième chambre. L’ouverture est par exemple un orifice. L’au moins une ouverture et/ou canalisation, par exemple chaque ouverture et/ou canalisation est par exemple munie d’au moins un élément de filtre 123, comprenant par exemple un ou plusieurs filtres. L’élément de filtre est par exemple adapté pour permettre le passage d’hydrogène gazeux et/ou pour empêcher le passage de particules du deuxième matériau. L’élément de filtre 123 est par exemple adapté pour empêcher le passage de matière à l’état solide, par exemple du deuxième matériau. L’élément de filtre 123 peut comprendre un matériau poreux, par exemple un ou plusieurs tuyau(x) à section poreuse, et/ou un tissu ou un non-tissé de fibres, et/ou une feuille ondulée, par exemple une tôle ondulée, et/ou une ou plusieurs mousse(s) et/ou une ou plusieurs structure(s) filaire.
L’au moins une ouverture est par exemple disposée en regard du premier matériau 111 et/ou de la première chambre 110, par exemple au niveau d’une face rigide de la deuxième enceinte 124.
Le dispositif ne nécessite pas de système de valve ou d’autres mécanismes de contrôle de flux, passif ou actif, entre le premier matériau et le deuxième matériau, ce qui permet une conception simple et une facilité de fabrication plus grande.
Les moyens de communication fluidique 122, par exemple l’ouverture et/ou canalisation 122, sont par exemple disposés au niveau de la deuxième enceinte 124. La deuxième enceinte 124 comprend par exemple les moyens de communication fluidique 122.
Deuxième valve de surpression
Le dispositif 100 peut comprendre une deuxième valve de surpression adaptée pour permettre l’échappement de gaz, par exemple d’hydrogène gazeux, par exemple depuis la deuxième chambre, par exemple de sorte à limiter la pression du dispositif et/ou à éviter une surpression du dispositif 100, par exemple au-delà d’une deuxième pression de seuil, par exemple inférieure ou égale à la pression maximale du dispositif 100.
La deuxième pression de seuil est par exemple inférieure ou égale à 90 bars, par exemple inférieure ou égale à 60 bars, par exemple inférieure ou égale à 30 bars, par exemple d’environ 15 bars.
Système
Description générale
En référence à la figure 4, il est décrit un système 200 de stockage et/ou de fourniture d’hydrogène. Le système comprend le dispositif 100 ou une pluralité de tels dispositifs 100.
Le système 200 est par exemple un système de stockage et/ou de fourniture d’hydrogène, par exemple à au moins une unité d’utilisation d’hydrogène 230. Le système 200 est par exemple un système de stockage et/ou de fourniture d’hydrogène pour un dispositif.
Le système 200 est par exemple un système de stockage et/ou de fourniture d’hydrogène pour un véhicule. Le véhicule est par exemple un véhicule à moteur. Le véhicule à moteur est par exemple un véhicule à moteur électrique, par exemple alimenté par une pile à combustible. Le véhicule à moteur est par exemple un véhicule à un moteur thermique.
Le système 200 est par exemple un système de stockage et/ou de fourniture d’hydrogène pour un système stationnaire. Le système stationnaire est par exemple une unité de fourniture d’électricité, par exemple un groupe électrogène, par exemple une unité de fourniture d’électricité de secours et/ou d’urgence, par exemple une unité d’éclairage, par exemple d’éclairage d’une construction. L’unité de fourniture d’électricité est par exemple portable.
Le système est par exemple configuré de sorte que le dispositif 100 est échangeable et/ou amovible.
Unité d’utilisation
Le système 200 comprend par exemple l’au moins une unité d’utilisation d’hydrogène 230, par exemple une pluralité d’unités d’utilisation d’hydrogène.
L’au moins une unité d’utilisation d’hydrogène 230 est ou comprend par exemple une unité de consommation d’hydrogène.
L’au moins une unité d’utilisation d’hydrogène 230 est ou comprend par exemple un système de traitement des gaz issus d’un moteur, par exemple au niveau d’une ligne d’échappement.
L’au moins une unité d’utilisation d’hydrogène 230 est ou comprend par exemple une pile à combustible, par exemple une pile à combustible à membrane d’échange de protons.
L’au moins une unité d’utilisation d’hydrogène peut comprendre la pile à combustible et/ou un moteur électrique adapté pour être alimenté par la pile à combustible. L’au moins une unité d’utilisation d’hydrogène est ou comprend par exemple un moteur à hydrogène, par exemple un moteur thermique adapté pour être alimenté en hydrogène, par exemple un moteur à explosion et/ou un moteur mixte.
Le système est par exemple configuré de manière à ce que l’au moins un dispositif 100 puisse alimenter l’unité d’utilisation d’hydrogène 230 en hydrogène. Le système comprend par exemple des moyens de communication fluidique 240 pour alimenter en hydrogène l’unité d’utilisation d’hydrogène 230 par le dispositif 100. Les moyens de communication fluidique 240 sont par exemple munis de moyens de blocage 241 mobiles au moins entre une position ouverte dans laquelle la communication fluidique est réalisée par les premiers moyens de communication fluidique 240 et une position fermée dans laquelle la communication fluidique n’est pas réalisée par les premiers moyens de communication fluidique 240.
L’unité d’utilisation d’hydrogène 230 est par exemple configurée pour alimenter au moins partiellement les moyens de chauffage 113, par exemple par de la chaleur perdue, par exemple par de la chaleur issue de l'unité d'utilisation d'hydrogène 230.
L’unité d’utilisation d’hydrogène 230 a par exemple une pression d’entrée supérieure ou égale à 1,5 bars, par exemple à 2,5 bars, par exemple à 5 bars, par exemple à 10 bars.
Moyens de commande
Le système 200 peut comprendre des moyens de commande 270. Les moyens de commande peuvent comprendre au moins un processeur et/ou une mémoire vive et/ou une mémoire morte et/ou des moyens d’affichage, par exemple un terminal.
Les moyens de commande 270 peuvent comprendre un ou plusieurs capteurs adaptés pour mesurer et fournir une ou plusieurs mesures de l’état de système, par exemple en temps réel. Les moyens de commande 270 peuvent comprendre un premier capteur de température 214 du dispositif 100, et/ou un deuxième capteur de température 224 de l’unité d’utilisation d’hydrogène. Les moyens de commande 270 peuvent comprendre un premier capteur de pression 214 du dispositif 100, et/ou un deuxième capteur de pression 224 de l’unité d’utilisation d’hydrogène.
Les moyens de commande 270 peuvent par exemple commander le dispositif 200, par exemple les moyens de chauffage 113 du dispositif 100 ou du système 200. Les moyens de commande 270 peuvent par exemple commander l’unité d’utilisation d’hydrogène 230. Les moyens de commande 170 peuvent par exemple commander les moyens de communication fluidique 240, par exemple les moyens de blocage 241.
Les moyens de commande sont par exemple configurés pour mettre en oeuvre un procédé tel que décrit ci-après.
Procédé
En référence à la figure 5, il est décrit un procédé de mise en oeuvre du dispositif 100.
Le procédé peut comprendre une étape 1301 de fabrication ou de fourniture du dispositif 100.
Le procédé peut comprendre une étape 1302 de stockage et/ou de transport du dispositif 100. Lors du stockage/transport, le dispositif 100 peut être soumis à des variations de températures.
Le procédé peut comprendre une étape 1303 d’installation du dispositif au niveau du système 200.
Le procédé peut comprendre une étape 1304 d’utilisation du dispositif 100. L’étape 1304 comprend par exemple la fourniture d’hydrogène par le dispositif 100. Lors de l’étape 1304 d’utilisation, l’unité d’utilisation d’hydrogène 230 ou une autre source de chaleur est par exemple configurée pour alimenter au moins partiellement les moyens de chauffage 213, par exemple par de la chaleur perdue, par exemple de sorte à chauffer le premier matériau 111 et/ou le deuxième matériau, par exemple la première chambre 110 et/ou la deuxième chambro.
L’étape 1304 d’utilisation peut comprendre une étape de fonctionnement dans lequel les moyens de chauffage 213 maintiennent le premier matériau à une température dans la première chambre 110 suffisamment haute pour assurer la désorption, par exemple la déshydruration, par exemple le déchargement complet en hydrogène, du premier matériau 111.
Les étapes 1301 et/ou 1302 et/ou 1303 et/ou 1304 sont par exemple répétées, par exemple de manière cyclique, par exemple dans cet ordre, par exemple répétées plusieurs fois. Chaque répétition est par exemple précédée d’une étape 1305 de retrait du dispositif 100 du système 100 et de retrait du premier matériau pour le remplacer par un premier matériau chargé en hydrogène. Alternativement ou en complément, le procédé peut comprendre une étape 1305 de retrait du dispositif 100 et de remplacement du dispositif 100, les étapes 1301 et/ou 1302 et/ou 1303 et/ou 1304 étant appliquées au dispositif 100 remplaçant celui ayant déjà été utilisé.
Le dispositif permet ici une capacité de stockage satisfaisante et peut fournir de l’hydrogène à un débit et une pression satisfaisantes tout en permettant un temps de stockage prolongé du dispositif 100.
Par exemple, lorsque le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121 sont par exemple maintenus en permanence en communication fluidique, au moins une ou plusieurs étapes du procédé, par exemple l’étape 1301 et/ou 1302 et/ou 1303 et/ou 1304 et/ou 1305 est par exemple définie par une pression du système qui définit le taux de charge pour le deuxième matériau, le taux de charge du premier matériau étant par exemple défini par son historique de chauffage. Ainsi le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121 peuvent présenter des taux de charge différents dus à leurs comportements thermodynamiques différents. Le dispositif avec le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121 peut toutefois être traités comme un dispositif avec un matériau. La distribution d’hydrogène est réalisée passivement entre les deux matériaux.
Le procédé comprendre une étape de captage et/ou de stockage réversible par le deuxième matériau d’hydrogène libéré par le premier matériau, par exemple au fur et à mesure que l’hydrogène est libéré, par exemple au cours d’une période de stockage du dispositif, par exemple lorsque le dispositif n’est pas en fonctionnement, par exemple lorsque le dispositif n’est pas utilisé pour fournir de l’hydrogène. L’étape de captage est par exemple mise en œuvre lors de l’étape 1302. L’étape de captage peut comprendre une augmentation de température et une libération correspondante d’hydrogène par le premier matériau.
Le procédé peut comprendre une étape d’échappement de gaz par la première valve de surpression et/ou la deuxième valve de surpression, par exemple mise en œuvre lors de l’étape 1302, par exemple postérieurement à l’étape de captage.
Lors de l’étape 1302 de stockage, le premier matériau 111 et le deuxième matériau 121 sont par exemple agencés de sorte que, l’hydrogène libéré par le premier matériau 111 provoque une augmentation de pression au sein du dispositif jusqu’à atteindre la pression d’équilibre du deuxième matériau 121, par exemple la pression d’équilibre d’adsorption ou d’absorption et/ou la pression maximale du dispositif et/ou une premier pression de seuil ou une deuxième pression de seuil telles que définies ci-après. Le deuxième matériau 121 stocke alors, par exemple absorbe ou adsorbe, de l’hydrogène émis par le premier matériau 111, la pression augmentant suivant la courbe d’équilibre de pression du deuxième matériau 121. Plus la quantité d’hydrogène stocké dans le deuxième matériau augmente, plus la pression équilibre du deuxième matériau augmente rapidement. La pression continue alors à augmenter jusqu’à atteindre la première et/ou deuxième pression de seuil à laquelle la première et/ou deuxième valve de surpression libère de l’hydrogène gazeux.
Le procédé peut comprendre une ou plusieurs étapes correspondant au fonctionnement du dispositif tel que décrit ci-avant.
Exemple détaillé
En référence à la figure 2, il est décrit un exemple de comportement de premier matériau 111 de type alane à 25°C. Le graphe présente en ordonnée la variation de masse en pourcentage massique par rapport au temps. Dans cet exemple la première chambre 110 contient 100 g d’hydrogène stocké initialement au sein de l’alane. Le dispositif présente une masse totale inférieure à 2 kg. La pression de seuil à laquelle la valve de surpression est activée est de 15 bars.
Dans un premier cas, représenté en traits interrompus, le dispositif ne comprend pas de deuxième matériau. La pression de seuil est atteinte en 0,53 ans.
Dans un deuxième cas, représenté en traits pleins, le dispositif est tel que décrit ici et comprend donc le deuxième matériau 121, par exemple 50 g, soit 2,5% massiques, qui est par exemple de type hydrure d’alliage métallique AB2, par exemple avec une capacité de stockage d’hydrogène de l’ordre de 1,5% massiques. Le temps d’atteinte de la pression de seuil est alors augmenté de 108%, soit plus du double.
La figure 3 présente l’évolution de la pression en bar en fonction du temps en jour dans le premier cas représenté en traits interrompus et dans le deuxième cas représenté en traits pleins de la figure 2. La pression est conservée à un niveau bas durant un temps long en présence du deuxième matériau 121, augmentant ainsi la sécurité.
Claims (12)
- Revendications1. Dispositif (100) de stockage d’hydrogène comprenant :un premier matériau (111) de stockage métastable d’hydrogène par sorption, et un deuxième matériau (121) de stockage réversible d’hydrogène par sorption, le dispositif comprenant une chambre (110) au sein de laquelle le premier matériau (111) est disposé, et le deuxième matériau étant en communication fluidique avec le premier matériau, ladite communication fluidique étant directe ou se faisant par l’intermédiaire de moyens de communication fluidique, de sorte que le deuxième matériau permet de stocker de manière réversible de l’hydrogène désorbé par le premier matériau.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif est configuré de sorte que l’hydrogène ainsi stocké dans le deuxième matériau peut être libéré lorsque le dispositif fournit de l’hydrogène.
- 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier matériau (111) et le deuxième matériau (121) sont maintenus en permanence en communication fluidique.
- 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, comprenant une deuxième chambre au sein de laquelle le deuxième matériau (121) est disposé.
- 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième matériau (121) est adapté pour former un hydrure métallique, de préférence du type LaNis, FeTi, TiCr, TiV, TiZr et/ou TiMn2.
- 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau (111) est adapté pour former un hydrure, de préférence un hydrure métallique, par exemple de l’alane, par exemple au moins une phase d’alane, par exemple de l’alane alpha, par exemple de l’alane alpha prime, et/ou du borazane et/ou du 1,2-di-amineborane, et/ou de l’hydrure de lithium et/ou de l’hydrure d’aluminium et de lithium.
- 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une valve de surpression adaptée pour permettre l’échappement de gaz.
- 8. Système de stockage et de fourniture d’hydrogène comprenant un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes et une unité d’utilisation d’hydrogène.
- 9. Système selon la revendication précédente, comprenant des moyens de commande (270) adaptés pour commander le dispositif (100).
- 10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 ou système selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, comprenant des moyens de chauffage (113) du premier matériau (111) et/ou du deuxième matériau (121).
- 11. Dispositif ou système selon la revendication précédente, dans lequel le premier matériau (111) est plus proche des moyens de chauffage (113) que le deuxième matériau (121).
- 12. Procédé de fonctionnement d’un dispositif (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, 10 et 11 ou d’un système selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, le procédé comprenant une étape (1304) d’utilisation du dispositif (100).1/5
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