Brevet FR2030053A1 — publié le 19701030

On connaît d'ores et déjà des appareils moteurs pour sous-marins comprenant un système d'entraînement pour la marche lente, avec un moteur électrique qui est alimenté en courant par une batterie de piles à combustible alimentées en hydrogène et en 5 oxygène, et un système d'entraînement pour la marche rapide avec une turbine à vapeur qui est alimentée avec de la vapeur surchauffée qui est produite dans une chambre de combustion par la combinaison d'hydrogène et d'oxygène. L'hydrogène et l'oxygène sont stockés sous forme liquide dans des réservoirs du sous-marin. 10 Un inconvénient d'un tel système de propulsion réside dans les difficultés que l'on rencontre pour stocker les combustibles, et dans la vulnérabilité qui résulte, en opérations militaires, des températures extrêmes pratiquées. Un autre inconvénient réside dans le poids élevé des réservoirs, par comparaison avec 15 le poids des combustibles qu'ils contiennent. Selon la présente invention, il s'est avéré que l'on obtient des avantages appréciables si l'on stocke le combustible sous la forme d'hydrocarbures aromatiques hydrogénés (hydro—aromatiques) qui sont ensuite décomposés en deux parties lors de leur 20 utilisation, à savoir de l'hydrogène qui est envoyé à titre de combustible aux piles à combustible, et les hydrocarbures aroma-' tiques non saturés correspondants qui sont envoyés à titre de combustible dans la chambre de combustion de la turbine à vapeur Les hydrocarbures aromatiaues hydrogénés sont liquides ou' solides 25 à la température ambiante, et ils peuvent donc être stockés dans des réservoirs de combustible simple et léger. En outre il s'est avéré que les hydrocarbures aromatiques obtenus lors de leur décomposition brûlaient sans laisser,de résidus dans la chambre de combustion de la turbine à gaz. De cette manière on moteur 30 _ obtient pour l'appareil/un système d'alimentation extrêmement "compact et à-haute densité énergétique. L'invention concerne par conséquent un procédé d'alimentation en combustible d'un appareil moteur, comprenant un . premier système d'entraînement, avec un moteur électrique qui 35 est alimenté en courant par une batterie de piles à combustible et un second système d'entraînement, avec une machinerie comprenant une chambre de combustion pour y brûler un combustible, par exemple un moteur à combustion interne, un moteur "Stirling", une turbine à gaz ou une turbine à vapeur, ledit procédé étant 69 33863 2 2030053 caractérisé en ce que le combustible destiné à l'appareil moteur est stocké près de celui-ci, sous forme d'un hydrocarbure aromatique hydrogéné, ou sous forme d'un mélange d'au moins deux hydrocarbures aromatiques hydrogénés, ledit hydrocarbure aromati-5 que hydrogéné étant décomposé, au moment de son utilisation en hydrogène et en hydrocarbure aromatique (ou hydrocarbures aromatiques) correspondant, l'hydrogène ainsi obtenu étant envoyé à titre de combustible, à destination des p^les à combustible, alors que l'hydrocarbure ou les hydrocarbures aromatiques corres-10 pondants sont envoyés, à titre de combustible, à destination de la chambre de combustion de la machinerie du second système d' entraînement. L'appareil moteur selon l'invention est également susceptible d'être utilisé pour des applications autres que les 15 sous-marins, dans lesquelles on s'efforce d'obtenir.une densité en énergie élevée du système d'alimentation en combustible, par exemple dans les véhicules spatiaux. Les hydrocarbures aromatiques hydrogénés peuvent être notamment l'hexahydrobenzène C^H,^ (cyclohexane), le décahydro-20 naphtalène C^qHq (décaline), le tétrahydronaphtalène C^QH^Cté-traline) le dihydrobenzène O^Hg (cyclohexadiène), le tétrahydro-benzène (cyclohexène), le dihydronaphtalène.O^qH^q et l'hexahydronaphtalêne ou encore des mélanges de ces hydrocarbures. 'Dans certains cas on peut aussi utiliser des 25 hydrocarbures aromatiques hydrogénés comprenant plusieurs noyaux benzéniques. On préférera tout particulièrement les hydrocarbures hydrogénés qui sont liquides à la température ambiante, pair exemple l'hexahydrobenzène, le décahydronaphtalêne et le tétrahydronaphtalène, ou des mélanges d'entre eux. On préférera tout parti-30 culièrement 11hexahydrobenzène, étant donné que c1 est cette substance qui fournit la plus grande quantité d'énergie par unité de masse. On peut aussi utiliser des hydrocarbures aromatiques hydrogénés solides. Toutefois il est rationnel de les employer en conjonction avec d'autres hydrocarbures formant, avec lesdits 35 hydrocarbures solides, un mélange qui se trouve à l'état liquide. L'invention concerne un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, constitué par un appareil moteur comprenant un premier système d'entraînement équipé d'un moteur électrique, lequel est alimenté en courant à'partir d'une 40 batterie de piles à combustible, et un second système d'entraîne 69 33863 3 2030053 ment équipé d'une machinerie qui est munie, d'une quelconque manière, d-'une chambre de combustion pour brûler le combustible, par exemple un moteur à combustion interne, un moteur Stirling une turbine à vapeur ou une turbine à gaz, caractérisé en ce qu' 5 un réacteur pour la décomposition des hydrocarbures aromatiques hydrogénés en hydrogène, d'une part, et en hydrocarbures aromatiques correspondants d'autre part, est raccordé à l'appareil moteur, avec une canalisation de liaison vers les piles à combustible, en vue d'acheminer l'hydrogène obtenu, à titre de combusti- • 10 ble, à destination desdites piles, et avec une canalisation, une liaison vers la chambre à combustion de la machinerie, en'vue d' acheminer à destination de ladite chambre de combustion, les hydrocarbures aromatiques qui résultent de la décomposition. L'invention sera décrite ci-après de façon plus détail-15 lée en se référant à un exemple particulier de réalisation et au dessin ci-annexé, lequel est fourni à titre purement illustratif et non limitatif et dans lequel : .La figure 1 représente schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. 20 La figure 2 montre schématiquement une pile à combusti ble utilisée dans le dispositif selon la figure 1. La figure 3 représente.un dispositif commun de transmission pour les deux systèmes d'entraînement de l'appareil moteur selon l'invention. 25 Dans la figure 1 on a en 10 une batterie de piles à combustible qui est alimentée en oxygène et en hydrogène et qui fournit de l'énergie électrique, selon des procédés en eux-mêmes connus. La batterie de piles à combustible charge, par les conducteurs 11, une batterie d'accumulateurs 12, par exemple des ac-30 cumulateurs au plomb.- La batterie d'accumulateurs est connectée par des conducteurs 13 à un moteur à courant continu 14 qui entraîne directement l'arbre d'hélices 15 d'un sous-marin. Etant donné que le moteur à courant continu est relié directement à l'arbre d'hélice, on peut utiliser un moteur à faible vitesse 35 angulaire, ce qui permet d'obtenir une marche silencieuse puisqu' aucun engrenage générateur de bruits ne se trouve intercalé dans le système d'entraînement. Em marche lente, il est rationnel de n'utiliser, pour faire mouvoir le sous-marin, que ce système d'entraînement constitué par la batterie de piles à combustible 4-0 avec l'accumulateur et le moteur. 69 33863 4 2030053 L'appareil propulsif comprend encore un second système d'entraînement qui est constitué par une machinerie à chambre de combustion, dans le cas particulier, une turbine à gaz 16 avec une chambre de combustion 17* La turbine est reliée, 5 par un réducteur à engrenages 18 et un accouplement 19, à. l'arbre d'hélice 15« Lorsque l'accouplement 19 est en prise, la -turbine 16 et le moteur à courant continu 14 actionnent simultanément l'arbre d'hélice 15 et c'est ainsi que l'on obtient la puissance maximale sur l'arbre ce qui est évidemment le cas en marche 10 à la vitesse maximale. Pour la marche silencieuse la turbine 16 et le réducteur à engrenages 18 sont mis complètement hors circuit en libérant l'accouplement 19- Le combustible destiné à l'alimentation de l'appareil moteur est conservé dans le réservoir 20 et il s'agit,dans le cas 15 particulier, d'hexahydrobenzène CgH^Ccyclohexane). Ce combustible est admis par la canalisation 21 dans un réacteur 22 qui contient un catalyseur, par exemple du platine, du palladium ou du nickel. Le cyclohexane est décomposé dans le réacteur à une température comprise entre 200° et 300°C, en hydrogène et en 20 benzène CgHg. Le mélange d'hydrogène et de benzène est envoyé par la canalisation 23 à destination d'un dispositif réfrigérant 24 dans lequel le benzène est condensé pour donner un liquide, alors que l'hydrogène reste sous forme gazeuse. L'hydrogène gazeux est acheminé à partir du dispositif réfrigérant, par la 24- canalisation 25, à destination de la chambre de combustion de la batterie 10 de piles à combustible. L'hydrogène gazeux qui n'a pas été consommé dans la batterie de piles à combustible est renvoyé par la canalisation 26 à destination du dispositif réfrigérant 24. Le benzène est envoyé par la canalisation 27 dans un réser- 50 voir de stockage 36 où il est repris pour parvenir à la chambre de combustion 17 de la turbine. L'agent oxydant (ou comburant) pour l'appareil moteur est conservé dans le réservoir 28 et, dans le cas décrit ici, il s'agit d'oxygène liquide. L'oxygène est envoyé, par une canalisa-55 tion29 qui traverse le réfrigérant 24, à destination de la chambre d'entrée de l'agent d'oxydation de la batterie de piles à combustibles. A partir de ce point, l'oxygène qui n'a pas été-consommé est évacué par la canalisation 30, laquelle porte une pompe de circulation, qui n'est pas autrement précisée ici, jusqu'en un point de la canalisation 29- L'oxygène qui passe à 69 33863 5 2030053 l'état gazeux pendant son. acheminement à destination de la batterie de piles à combustible fait office d'agent de refroidissement dans le dispositif réfrigérant 24. La canalisation 31 permet d'autre part d'acheminer de l'oxygène à destination de la cham-5 brede combustion 17 de la turbine, où ledit oxygène entre en réaction avec le benzène à température élevée, de préférence à une température comprise entre 8C0 et 1000°C. Les produits de réaction gazeux obtenus dans la chambre de combustion sortent de cette dernière par la canalisation 32 pour parvenir dans la turbine 10 16 où ils se détendent avant d'aboutir à un condenseur 33 dans lequel la pression est maintenue à une valeur très basse au moyen d'une pompe à vide 34, selon des procédés qui sont en eux-mêmes bien connus. Le condensât est évacué par la canalisation 35- En lieu et place de l'oxygène on pourrait aussi utili-15 ser comme agent oxydant de l'eau oxygénée. Dans ce cas l'agent oxydant peut être stocké sous forme liquide à la pression atmosphérique, comme le combustible. De plus la chaleur de décomposition de l'eau oxygénée, qui apparaît lorsque celle-ci se décompose en oxygène et en eau, par exemple au contact avec du platine 20 servant de catalyseur, peut être récupérée avantageusement pour la décomposition catalytique de l'hexahydrobenzène ou des autres, hydrocarbures hydrogénés utilisés comme combustible primaire selon l'invention. Pour opérer la séparation entre l'hydrogène gazeux et 25 le benzène on peut fort bien utiliser, en lieu et place du dispositif réfrigérant 24, une membrane ne laissant passer que l'hydrogène. Cette membrane peut être par exemple constituée en alliage de palladium, et d'argent et elle sera placée, de préférence, directement à la suite du réacteur de telle façon qu'elle soit 30 portée, d'une manière simple, à la température voulue de fonction-• ne'ment. L'hydrogène gazeux est recueilli du côte de la face arrière de la membrane, pour être envoyé vers les piles à combustible alors que le benzène reste du côté de la face antérieure pour être envoyé vers un petit dispositif réfrigérant où il est con-35 densé, puis acheminé à l'état liquide vers le réservoir intermédiaire 36. Une batterie de piles à combustible est constituée en général par un très grand nombre d'électrodes pour ce combustible et d'électrodes pour l'agent oxydant qui sont empilées alternati-40 vement, avec des chambres intercalaires pour le combustible, 69 33863 6 2030053 pour l'agent oxydant et pour 1 *électrolyte. La figure 2 représente un fragment d'une telle batterie de piles à combustible. On peut y voir les électrodes poreuses à combustible 4-0 qui sont • constituées par exemple en nickel activé avec du platine, et les 5 électrodes poreuses de l'agent d'oxydation 41 qui sont constituées par exemple en nickel activé avec de l'argent. Les électrodes 40 sont fixées dans les châssis 42 et les électrodes 41 dans les châssis 4-3. Ces châssis peuvent être en matière thermoplastique. Ces différents châssis sont maintenus serrés les uns sur les 10 autres par un disposit:ii' de serrage qui n'est pas autrement précisé ici et ils peuvent être rendus étanches les uns par rapport . aux autres, au moyen de joints toriques ou de joints soudés en matière thermoplastique. Les électrodes sont connectées en paral-• lèle ou en série au moyen de barres conductrices qui sont dispo- . 15 sées à l'extérieur et qui ne figurent pas ici sur le dessin. Les électrodes poreuses 40 forment des cloisons de séparation entre le.combustible qui occupe les chambres à gaz 44 et 1'électrolyte qui occupe les chambres à électrolyte 45. De même les électrodes poreuses 41 font office de cloisons de séparation entre^ l'agent 20 oxydant qui occupe les chambres à gaz 46 et 11électrolyte qui • occupe les chambres à électrolyte 45. • Le combustible, autrement dit l'hydrogène gazeux, est envoyé par le canal 47 raccordé à la canalisation 25, a destination des chambres à gaz 44, et il est ensuite évacué de ces cham-25 bres 44 par le canal 48 qui aboutit à la canalisation 26. L'agent d'oxydation, par exemple l'oxygène, est envoyé par le canal 49 qui est relié à la canalisation 29, à destination des chambres à gaz 46, et il est ensuite évacué de ces chambres à gaz par le canal 50 qui aboutit à la canalisation 30. L'électrolyte 30 qui est compatible avec les matériaux d'électrode utilisés ici, par exemple une solution de potasse, est introduit par le canal 51 dans les chambres à électrolyte 45, dont il est évacué par le canal 52. L'électrolyte fait donc l'objet d'une circulation extérieure qui n'est pas autrement précisée sur la figure 1. 35 I»a figure 3 montre comment il est possible d'amener en • commun sur l'arbre d'hélice le couple fourni par le premier système d'entraînement à moteur à courant continu et par le second système d'entraînement à turbine. Le moteur 14 comprend un stator 60 et un rotor 61. Le stator 60 est supporté directement par 1' 40 arbre d'hélice 15 au moyen des paliers 62. Le rotor 61 est porté 69 33863 7 2030053 par un arbre creux 63 qui est lui-même monté à rotation, par l'intermédiaire des paliers 64, sur l'arbre d'hélice 15* Un accouplement 65 permet de rendre le rotor 61 solidaire de l'arbre 1$ ou au contraire de l'en séparer. Si l'on ne souhaite pas pou-5 voir libérer l'arbre d' hélice 15 du rotor du moteur 14, cet accouplement 65 peut être permanent. Ainsi que cela a déjà été décrit précédemment la turbine 16 attaque l'arbre d'hélice 15 par l'intermédiaire du réducteur à engrenages 18 et de l'accouplement 19- L'arbre d'hélice peut donc être entraîné, soit par 10 le moteur 14, soit par la turbine 16, soit simultanément par les deux. 69 33863 8 2030053 REVENDICATIONS 1 - Procédé d'alimentation en combustible d* un appareil moteur comprenant un premier système d'entraînement équipé d'un moteur électrique qui est alimenté en courant par une batterie de piles à combustible, et un second système d'en-5 traînement équipée d'une machinerie comprenant une chambre de combustion pour y brûler un combustible, par exemple un moteur à combustion interne, un moteur "Stirling", une turbine à gaz ou une turbine à vapeur,.caractérisé en ce que le combustible qui est destiné à l'appareil moteur est stocké près de celui-ci 10 sous la forme d'un hydrocarbure aromatique hydrogéné, ou sous la forme d'un mélange d'au moins deux hydrocarbures,aromatiques hydrogénés, le ou lesdits hydrocarbure(s) étant décomposé(s), au moment de son (leur) utilisation, en hydrogène et en hydrocarbure aromatique (ou hydrocarbures aromatiques) correspondant, et 15 l'hydrogène ainsi obtenu étant envoyé, à titre de combustible, à destination des piles à combustible alors que l'hydrocarbure ou les hydrocarbures aromatiques correspondants sont envoyés, à titre de combustible, à destination de la chambre.de combustion de la machinerie du second système d'entraînement. «20 2 - Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce que l'hydrocarbure aromsbique hydrogéné est constitué par de l'hexahydrobenzène. 3 - Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce que l'hydrocarbure aromatique hydrogéné est consti-25 tué par du décahydronaphtalêne. 4- - Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce que 1'hydrocarbure aromatique hydrogéné est constitué par du tétrahydronaphtalène. 5 - Procédé selon la revendication 1., carac-30 térisé en ce que l'on utilise à titre de mélange d'hydrocarbures . aromatiques hydrogénés, un mélange qui comprend au moins deux des substances du groupe comprenant l'hexahydrobenzène, le décahydro-naphtalène et le tétrahydronaphtalène. 6 - Dispositif pour la mise en oeuvre du pro-. 35 cédé selon la revendication 1, constitué par un appareil moteur comprenant un premier système d'entraînement, équipé d'un moteur 69 33863 9 2030053 électrique qui est alimenté en coûtant à partir d'une "batterie de piles à combustible, et un second système d'entraînement, équipé d'une machinerie comportant une chambre de combustion pour brûler le combustible, par exemple un moteur à combustion inter-5 ne, un moteur Stirling, une turbine à vapeur ou une turbine à gaz, caractérisé en ce qu'un réacteur pour la décomposition de l'(ou des) hydrocarbure(s) aromatique(s) hydrogéné(s) en hydrogène d'une part, et en hydrocarbure(s) aromatique(s) correspondant d'autre part, est raccordé à l'appareil moteur, avec une canali-10 sation de liaison vers les piles à combustible, en vue d'acheminer l'hydrogène obtenu, à titre de combustible, à destination desdites piles, et avec une canalisation de liaison-vers la chambre â combustion de la machinerie, en vue d'acheminer à destination.de ladite chambre-de combustion, 1'(ou des )hydrocarbure(s) -15 aromatique(s) qui résulte(nt) de la décomposition. 7 - Dispositif selon la revendication 6, carac-. térisé en ce que le réacteur est: raccordé à un dispositif réfrigérant permettant d'assurer la condensation de l'hydrocarbure aromatique, ledit dispositif réfrigérant étant relié d'une part 20 aux piles à combustible en vue d'acheminer, à destination de celles-ci, et à titre de combustible pour celles-ci, l'hydrogène, qui provient du réacteur, et d'autre part à la chambre de combustion de la machinerie du second système d'entraînement, en vue d'acheminer l'hydrocarbure aromatique, à titre de combustible, 25 . en direction de ladite chambre de combustion. 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réacteur estraccordé à un séparateur constitué par une membrane qui ne laisse passer que l'hydrogène, par exemple par une membrane au'palladium-argent, et en ce que le séparateur 30 est relié d'une part aux piles à combustible en vue d'acheminer, à destination de celles-ci et à titre de combustible pour celles-ci, l'hydrogène qui provient du réacteur, et d'autre part à la chambre de combustion de la machinerie du second système d'entraînement, en vue d'acheminer l'hydrocarbure aromatique, à titre de 35 combustible, en direction de ladite chambre de combustion.