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FR3161720A1 - Procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène - Google Patents

Procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène

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Publication number
FR3161720A1
FR3161720A1 FR2404215A FR2404215A FR3161720A1 FR 3161720 A1 FR3161720 A1 FR 3161720A1 FR 2404215 A FR2404215 A FR 2404215A FR 2404215 A FR2404215 A FR 2404215A FR 3161720 A1 FR3161720 A1 FR 3161720A1
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FR
France
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hydrogen
tank
vehicle
filling
volume
Prior art date
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Application number
FR2404215A
Other languages
English (en)
Inventor
Alain Rocheux
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H2gremm
Original Assignee
H2gremm
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Filing date
Publication date
Application filed by H2gremm filed Critical H2gremm
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Priority to PCT/EP2025/061145 priority patent/WO2025224206A1/fr
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Abstract

L’invention concerne un procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène, caractérisé en ce le procédé comporte les étapes successives suivantes : a) remplir un deuxième réservoir d’hydrogène et un troisième réservoir d’hydrogène à partir d’un volume d’hydrogène généré par un générateur d’hydrogène positionné à proximité du deuxième réservoir ou du troisième réservoir ; le remplissage total du deuxième réservoir d’hydrogène est effectué avant le début du remplissage du troisième réservoir d’hydrogène ; - b) remplir un réservoir d’un véhicule hydrogène avec ledit deuxième réservoir d’hydrogène ou avec ledit troisième réservoir d’hydrogène. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène.
L'hydrogène est un carburant alternatif prometteur pour les véhicules en raison de ses émissions propres et de son rendement élevé. Cependant, le stockage et le transport de l'hydrogène peuvent être difficiles en raison de sa faible densité énergétique volumique.
Les techniques actuelles de remplissage de réservoirs d'hydrogène pour véhicules peuvent être inefficaces et prendre du temps. De plus, les compresseurs d'hydrogène utilisés pour le remplissage peuvent être coûteux et énergivores.
Le remplissage de véhicule hydrogène est réalisé à partir de stations de 350 bar ou 700 bar.
Cette pression de remplissage peut être obtenue soit par un compresseur d’hydrogène fonctionnant au moment du remplissage du véhicule, soit par un déversement de l’hydrogène du stockage de la station (réservoir amont) vers le réservoir du véhicule hydrogène (réservoir aval). Ce déversement est obtenu par équilibrage de pression entre le stockage de la station et le réservoir du véhicule hydrogène.
Le besoin est d’améliorer le rendement de remplissage du réservoir Aval tout en respectant la CEP (Clean Energy Partnerchip) à savoir principalement :
- nombre d’ouverture/fermeture du clapet de remplissage du réservoir du véhicule inférieur ou égal à 10 ;
- la pression pendant le remplissage ne doit pas dépasser 100% de la charge admise par le constructeur (100 %) ;
- la pression finale dans le réservoir du véhicule ne doit pas dépasser 100% de la charge admise par le constructeur (100 % );
- la rampe de pression ne doit pas être inférieure à >1MPa/min (10bars/min)
Une des solutions est d’intégrer dans la chaine de remplissage un compresseur en ligne régulé en débit et en pression permettant de remplir à 100% la charge du véhicule autorisée mais ayant pour inconvénient de rajouter un élément supplémentaire, couteux, volumineux, exigeant d’être normé pour éviter les explosions (risque d’atmosphère explosive) et dégradant le rendement énergétique global de la station de remplissage d’hydrogène.
Le remplissage par un compresseur peut échauffer l’hydrogène, il doit donc être refroidi et régulé en température.
L’hydrogène est poussé jusqu’à la limite de pression et température autorisées du réservoir.
La contrainte du remplissage par déversement et équilibrage de pression est que le remplissage est limité à l’équilibrage de pression entre les deux réservoirs.
L’hydrogène est aspiré par le réservoir aval jusqu’à l’équilibrage de pression entre le réservoir amont et le réservoir aval.
Réservoir Amont noté « 1 » : P1=(n1RT1)/V1
Réservoir Aval noté « 2 » : P2=(n2RT2)/V2
R= 8,3144621
T=T°K identique T1 et T2 par l’équilibre des températures.
Pression d’équilibre notée « Péq » : Péq=((n1+n2) / (V1+V2)) x RT
C’est-à-dire que : la pression dans le réservoir Aval ne sera jamais à son maximum et la pression d’équilibre Péq sera diminuée d’autant que le volume du réservoir Amont est élevé.
Il existe des techniques de cascade nécessitant le changement de bouteille. Le principe schématisé enFIG. 1est de procéder au remplissage du réservoir de RV par la bouteille ayant la pression la plus faible de toutes les bouteilles de stockage de R1 à Rn et que sa pression soit supérieure à la pression dans RV. Le remplissage se fait jusqu’à équilibrage des pressions entre la bouteille Rn et RV avec des vannes EV1 à EVNin et EV1out à EVN out (le N étant le nombre de réservoir, dans l’exemple il y en a 4). Puis le processus recommence avec la bouteille suivante ayant ces deux caractéristiques : pression la plus faible de toutes les bouteilles de stockage de R1 à Rn et une pression supérieure à la pression dans RV.
L’inconvénient est qu’une fois les bouteilles vides, s’opère le remplacement des bouteilles vides par des pleines, et le processus de remplissage peut alors recommencer entrainant des risques. Il est nécessaire aussi d’avoir une zone de dépotage à accès restreint lors des échanges de capacité.
Le principal inconvénient de cette méthode de remplacement de bouteille est la contrainte logistique obligeant à organiser une tourner de remplacement et à anticiper les besoins. L’autre inconvénient est la technicité de remplacement augmentant le risque d’accident du travail et de fuite.
 Présentation de l'invention
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice.
Plus précisément, l’invention a pour objectif de protéger une solution technique permettant d’obtenir une vitesse de remplissage d’hydrogène optimisée et sans refroidissement pour les véhicules hydrogènes.
En particulier, un objectif de l’invention est de fournir une telle technique permettant de s’affranchir de tout autre système de réglage complexe.
Un autre objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui soit peu coûteuse à mettre en œuvre et qui ne nécessite pas d’entretien particulier.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints, à l’aide d’un procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène, remarquable en ce le procédé comporte les étapes successives suivantes :
- a) remplir un deuxième réservoir d’hydrogène et un troisième réservoir d’hydrogène à partir d’un volume d’hydrogène généré par un générateur d’hydrogène positionné à proximité du deuxième réservoir ou du troisième réservoir ;
le remplissage total du deuxième réservoir d’hydrogène est effectué avant le début du remplissage du troisième réservoir d’hydrogène ;
- b) remplir un réservoir d’un véhicule hydrogène avec ledit deuxième réservoir d’hydrogène ou avec ledit troisième réservoir d’hydrogène.
Selon une variante, le générateur d’hydrogène rempli un premier réservoir qui sert de réservoir tampon et peux par son intermédiaire alimenter le deuxième réservoir d’hydrogène ou le troisième réservoir d’hydrogène.
Le procédé permet de remplir d'abord le deuxième réservoir d'hydrogène avant de passer au remplissage du troisième réservoir. Cela garantit que le deuxième réservoir est entièrement rempli avant que le troisième ne commence à être rempli, assurant ainsi une distribution efficace de l'hydrogène.
En remplissant le deuxième réservoir complètement, avant de commencer à remplir le troisième réservoir, le processus minimise le temps total nécessaire pour le remplissage complet des réservoirs. Cela peut conduire à une réduction des temps d'attente pour les utilisateurs de véhicules hydrogènes, améliorant ainsi l'expérience globale.
Le procédé offre la possibilité de remplir le premier réservoir d'hydrogène à partir un générateur d'hydrogène. Cette flexibilité permet une adaptation aux différentes configurations d'approvisionnement en hydrogène, ce qui peut être avantageux dans des situations où l'accès à un générateur d'hydrogène est plus pratique ou rentable que le remplissage à partir d'un réservoir déjà rempli (évite les risques liés au changement de bouteille, risque d’atmosphère explosive réduite). Il n’est pas nécessaire d’avoir des zones bloquées autour de la station de replissage.
En produisant de l'hydrogène sur place, évite les coûts associés au transport de l'hydrogène d'un site de production éloigné jusqu'au lieu d'utilisation. Le transport de l'hydrogène sous forme de gaz ou liquide peut être coûteux et impliquer des pertes importantes. La notion de proximité est liée à une distance de quelques mètres à une centaine de mètre. En réduisant les distances de transport, il y a une diminution également de l'empreinte carbone associée au processus. Moins de carburant est utilisé pour le transport, ce qui contribue à réduire les émissions de gaz à effet de serre.
L’invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape a), le générateur d’hydrogène est soit un compresseur électrochimique ou compresseur mécanique.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape a), le générateur d’hydrogène rempli un premier réservoir et le volume du premier réservoir d’hydrogène est au moins égal à la somme du volume du deuxième réservoir d’hydrogène et du troisième réservoir d’hydrogène.
Dans un mode de réalisation, il existe une étape préalable à l’étape a) de remplissage du premier réservoir par un compresseur.
Dans un mode de réalisation, lors des étapes de remplissage d’hydrogène la pression de remplissage est au moins égale à 1MPa/min.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape a) ou b), des vannes sont configurées pour diriger l’hydrogène vers le premier réservoir, le deuxième réservoir, le troisième réservoir, ou le réservoir d’un véhicule hydrogène.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape a) ou b), lesdites vannes comportent une unité de commande ; ladite unité de commande comporte un système de paramétrage configuré pour commander ladite pluralité de vannes.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape a) ou b), des clapets anti-retours sont configurés pour bloquer l’hydrogène vers le premier réservoir, le deuxième réservoir, le troisième réservoir, ou le réservoir d’un véhicule hydrogène.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape a) ou b), le premier réservoir, le deuxième réservoir, le troisième réservoir et le réservoir d’un véhicule hydrogène sont constitués de plusieurs sous réservoirs correspondant à une partie d’un volume total du premier volume d’hydrogène, du deuxième volume d’hydrogène, du troisième volume d’hydrogène et du réservoir d’un véhicule hydrogène.
Dans un mode de réalisation, lors de l’étape b), le réservoir d’un véhicule hydrogène étant connecté avec un système embarqué d’un véhicule hydrogène comportant des données de remplissage spécifique dudit véhicule comportant au moins l’un des éléments suivants : une température interne de remplissage dans le quatrième réservoir, un nombre d’ouverture et de fermeture de la vanne amenant l’hydrogène dans le réservoir d’un véhicule hydrogène, une pression, un taux de rampe de pression, un débit de remplissage du réservoir d’un véhicule hydrogène, un volume interne du deuxième réservoir et du troisième réservoir, une vitesse de transfert de pression, une température ambiante.
 Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
LaFIG. 1représente (l’état de l’art) un schéma du fonctionnement de distribution en cascade ;
LaFIG. 2représente un schéma du fonctionnement de la distribution d’hydrogène en cascade pour véhicule hydrogène ;
LaFIG. 3représente un logigramme du fonctionnement du procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour véhicule hydrogène.
LaFIG. 1a été décrite ci-avant.
LaFIG. 2montre un schéma du fonctionnement de la distribution d’hydrogène en cascade pour véhicule hydrogène.
La partie supérieure montre un premier réservoir et un compresseur qui s'oriente vers le deuxième réservoir R2 ou le troisième réservoir R3. L’orientation du remplissage d'ouverture ou de fermeture est contrôlé par des valves (EV3in ou EV2in).
La valve EV1 permet de remplir le premier réservoir à partir du compresseur.
La valve EV4 permet de remplir le réservoir d’un véhicule hydrogène à partir du deuxième réservoir R2 ou du troisième réservoir R3.
Pour remplir un réservoir véhicule hydrogène, noté R4, le système de remplissage est composé de deux réservoirs de stockage appelés :
Troisième réservoir R3 : réservoir grande capacité de volume V3, pression P3 et nombre de mole n3
Deuxième réservoir R2 : réservoir petite capacité de volume V2 et pression P2 et nombre de mole n2 avec :
V2 < V3 et P2>=P3
R4 : réservoir du véhicule hydrogène
Les deux réservoirs sont remplis soit par un compresseur soit par un ensemble de réservoir en amont de R3 et R2.
Le réservoir amont est appelé R1 de volume V1, pression P1 et nombre de mole n1 :
V1 > V2+V3 et P1 > P2 >= P3 et n1> n2 + n3
Selon une variante, les réservoirs R1, R2, R3 et R4 sont composés chacun de un ou plusieurs réservoirs.
Cas n°1 :remplissage par un compresseur
Le remplissage se fait en poussant l’hydrogène.
Remplissage R2 : le remplissage R2 est prioritaire pour atteindre la pleine charge de sa capacité.
Remplissage R3 :
Quand R2 = 100% de sa capacité, le compresseur remplit R3 jusqu’à la pleine charge de R3.
Cela permet immédiatement de pouvoir commencer à remplir un réservoir d’un véhicule hydrogène sans attendre le remplissage de R3 à sa pleine charge.
Cas n°2 :remplissage par un réservoir amont R1
Le remplissage se fait en déversant l’hydrogène par le principe d’équilibrage des pressions.
Remplissage R2 : le remplissage R2 est prioritaire pour atteindre la pleine charge de sa capacité.
Remplissage R3 : Quand R2 = 100% de sa capacité, le réservoir R1 déverse l’hydrogène dans R3 jusqu’à l’équilibre des pressions P1 = P3 ou jusqu’à la pleine charge de R3.
Cela permet immédiatement de pouvoir commencer à remplir un réservoir d’un véhicule hydrogène sans attendre le remplissage de R3 à sa pleine charge.
Les flèches noires indiquent qu'il existe une information de contrôle commande des valves en fonction de la configuration souhaitée.
Il est également montré des clapets anti-retour.
Selon un exemple de réalisation, l’hydrogène est généré par un compresseur électrochimique ou un compresseur mécanique.
Un compresseur électrochimique est un type de compresseur d'hydrogène qui utilise une réaction électrochimique pour comprimer l'hydrogène gazeux. Ce type de compresseur est sans huile et ne comporte aucune pièce mobile, ce qui le rend plus compact, plus fiable et plus écologique que les compresseurs traditionnels à piston ou centrifuges.
Le compresseur génère de l’hydrogène avec une pression, un nombre de moles, et un volume prédéfini.
Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
LaFIG. 3montre un logigramme du fonctionnement du procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour véhicule hydrogène.
À la connexion du véhicule hydrogène représenté par le réservoir R4 à la station de ravitaillement par l’intermédiaire du pistolet de remplissage intégrant une électrovanne EV4, l’ensemble des informations suivantes se veulent non exhaustives, sont mesurées et/ou lues soit dans le système embarqué du véhicule soit dans une banque de données intégrée à la station de ravitaillement permettant de choisir le modèle de véhicule hydrogène à ravitailler en hydrogène et de connaitre les paramètres de remplissage spécifique du véhicule :
Paramètres :
T_max_R4 : température maxi interne de remplissage dans R4
T_min_R4 : température mini interne de remplissage dans R4
n_max_R4 : nombre maxi d’ouverture/fermeture de la vanne d’entrée du réservoir R4
p_max_R4 : pression maxi interne de R4
p_rate_min_R4 : taux de rampe de pression minimum dans R4
p_rate_max_R4 : taux de rampe de pression maximum dans R4
Q_max_R4 : débit de remplissage maxi dans R4
V_tank_R2 : volume interne de R2
V_tank_R3 : volume interne de R3
p_rate_low : taux bas de rampe de pression
p_rate_hi : taux haut de rampe de pression
…
Mesures :
p_vehicle_R4 : pression interne mesurée dans R4
T_vehicle_R4 : température interne mesurée dans R4
p_rate_R4 : vitesse mesurée de transfert de pression dans R4
p_tank_R2 : pression interne mesurée dans R2
T_tank_R2 : température interne mesurée dans R2
p_tank_R3 : pression interne mesurée dans R3
T_tank_R3 : température interne mesurée dans R3
T_amb : température ambiante mesurée
Q_R4 : débit de remplissage mesuré dans R4
…
Contrôles :
Casc_on : commande de la fonction cascade
S_EV2in : commande de la valve EV2in
S_EV2out : commande de la valve EV2out
S_EV3in : commande de la valve EV3in
S_EV3out : commande de la valve EV3out
S_EV4 : commande de la valve EV4
…
LaFIG. 3montre une des séquences possibles d’un remplissage à partir de toutes les valeurs requises. Cela permet d'expliquer le fonctionnement du système, notamment avec l'utilisation d'électrovannes non proportionnelles pour répondre aux exigences de la CEP.
Une partie de schéma peut s'expliquer de la manière suivante si la vanne de réservoir R3 est ouverte et que la vanne de réservoir R2 est fermée alors la fonction cascade s'active.
Le remplissage du réservoir d'hydrogène du véhicule R4 est activé par la vanne pistolet tant que la vitesse mesurée de transfert de pression dans R4 est supérieure au taux bas de vitesse prédéterminée de transfert de pression (p_rate_low).
Si la vitesse mesurée de transfert de pression dans R4 est inférieure à un seuil bas (p_rate_low) alors la vanne de réservoir R3 est fermée et la vanne de réservoir R2 est ouverte.
Si la vitesse mesurée de transfert de pression dans R4 est supérieure au taux haut de vitesse prédéterminée de transfert de pression (p_rate_hi) ou si la pression dans le réservoir R2 est inférieure à la pression dans le réservoir R3, alors la vanne de réservoir R3 est ouverte et la vanne de réservoir R2 est fermée.
Il est souligné que toutes les caractéristiques, telles qu’elles se dégagent pour un homme du métier à partir de la présente description, des dessins et des caractéristiques attachées, même si concrètement elles n’ont été décrites qu’en relation avec d’autres caractéristiques déterminées, tant individuellement que dans des combinaisons quelconques, peuvent être combinées à d’autres caractéristiques ou groupes de caractéristiques divulguées ici, pour autant que cela n’a pas été expressément exclu ou que des circonstances techniques rendent de telles combinaisons impossibles ou dénuées de sens.

Claims (10)

  1. Procédé de distribution d’hydrogène en cascade pour une station de remplissage pour véhicule hydrogène, caractérisé en ce le procédé comporte les étapes successives suivantes :
    - a) remplir un deuxième réservoir d’hydrogène et un troisième réservoir d’hydrogène à partir d’un volume d’hydrogène généré par un générateur d’hydrogène positionné à proximité du deuxième réservoir ou du troisième réservoir ;
    le remplissage total du deuxième réservoir d’hydrogène est effectué avant le début du remplissage du troisième réservoir d’hydrogène ;
    - b) remplir un réservoir d’un véhicule hydrogène avec ledit deuxième réservoir d’hydrogène ou avec ledit troisième réservoir d’hydrogène.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l’étape a), le générateur d’hydrogène est soit un compresseur électrochimique ou compresseur mécanique.
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l’étape a), le générateur d’hydrogène rempli un premier réservoir et le volume du premier réservoir d’hydrogène est au moins égal à la somme du volume du deuxième réservoir d’hydrogène et du troisième réservoir d’hydrogène.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel il existe une étape préalable à l’étape a) de remplissage du premier réservoir par un compresseur.
  5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors des étapes de remplissage d’hydrogène la pression de remplissage est au moins égale à 1MPa/min.
  6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lors de l’étape a) ou b), des vannes sont configurées pour diriger l’hydrogène vers le premier réservoir, le deuxième réservoir, le troisième réservoir, ou le réservoir d’un véhicule hydrogène.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lors de l’étape a) ou b), lesdites vannes comportent une unité de commande ; ladite unité de commande comporte un système de paramétrage configuré pour commander ladite pluralité de vannes.
  8. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lors de l’étape a) ou b), des clapets anti-retours sont configurés pour bloquer l’hydrogène vers le premier réservoir, le deuxième réservoir, le troisième réservoir, ou le réservoir d’un véhicule hydrogène.
  9. Procédé selon la revendication 3, dans lequel lors de l’étape a) ou b), le premier réservoir, le deuxième réservoir, le troisième réservoir et le réservoir d’un véhicule hydrogène sont constitués de plusieurs sous réservoirs correspondant à une partie d’un volume total du premier volume d’hydrogène, du deuxième volume d’hydrogène, du troisième volume d’hydrogène et du réservoir d’un véhicule hydrogène.
  10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l’étape b), le réservoir d’un véhicule hydrogène étant connecté avec un système embarqué d’un véhicule hydrogène comportant des données de remplissage spécifique dudit véhicule comportant au moins l’un des éléments suivants : une température interne de remplissage dans le quatrième réservoir, un nombre d’ouverture et de fermeture de la vanne amenant l’hydrogène dans le réservoir d’un véhicule hydrogène, une pression, un taux de rampe de pression, un débit de remplissage du réservoir d’un véhicule hydrogène, un volume interne du deuxième réservoir et du troisième réservoir, une vitesse de transfert de pression, une température ambiante.
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