Brevet FR2673707A1 — publié le 19920911

La présente invention concerne un appareil de production d'hydrogène sous une forme ressemblant à de la neige fondue, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide coexistant l'un avec l'autre, par des procédures 5 répétées de congélation et de fusion de l'hydrogène liquide contenu à l'intérieur d'un récipient fermé isolé. De façon usuelle, en tant que principes de production d'un tel hydrogène, les méthodes suivantes ont été10 présentées comme les résultats d'études scientifiques dans des conférences internationales de la Société d'ingénierie cryogénique ou au cours de la 8 ème confé- rence mondiale sur l'énergie fournie par de l'hydrogène, tenue à Hawaii en 1990 En fait, il existe une méthode15 de refroidissement indirecte, dans laquelle de l'hélium liquide est amené dans une enveloppe de refroidissement d'un récipient contenant de l'hydrogène liquide, de façon à s'écouler à travers celui-ci et à produire de l'hydrogène solide congelé sur la paroi intérieure du20 récipient, l'hydrogène solide étant ensuite raclé au moyen d'une vis, une méthode de refroidissement directe dans laquelle de l'hélium gazeux à basse température est soufflé dans l'hydrogène liquide à travers un tube d'alimentation en hélium de façon à produire de l'hy-25 drogène solide à l'extrémité avant du tube, une méthode de réduction de pression continue, dans laquelle, en amenant de l'hydrogène liquide dans un récipient fermé et en diminuant la pression à l'intérieur du récipient fermé à pas plus que sa pression du point triple, une30 couche solide d'hydrogène est produite à la surface de l'hydrogène liquide, et une méthode de réduction de pression intermittente, dans laquelle, après que la couche solide d'hydrogène a,été produite à la surface de l'hydrogène liquide en diminuant la pression à l'inté- rieur du récipient fermé à pas plus que la pression du point triple, la pression à l'intérieur de celui-ci est augmentée au-dessus de la pression du point triple, de façon à faire fondre les parties de la couche solide de surface qui sont en contact avec la paroi interne du récipient pour faire couler la couche solide Cependant, un appareil permettant une production efficace de masse d'un tel hydrogène par un procédé industriel n'a pas été jusqu'à présent développé. Dans le cas de la production d'un tel hydrogène au moyen de la méthode de refroidissement indirecte, puisque l'hydrogène solide congelé sur la paroi interne du récipient est raclé au moyen d'une vis, un problème consiste en ce que l'espace entre la paroi interne sur laquelle l'hydrogène solide est produit et la vis de raclage est trop faible pour uniformiser les diamètres des particules de l'hydrogène solide. Dans le cas de la production d'un tel hydrogène au moyen de la méthode de refroidissement directe, comme l'hy- drogène solide est produit à l'extrémité avant du tube d'alimentation en hélium en soufflant l'hélium gazeux à basse température dans l'hydrogène liquide, l'hydrogène25 solide devant y être produit peut croître le long de la direction d'écoulement de l'hélium gazeux de façon tubulaire En conséquence, il est nécessaire de briser l'hydrogène solide tubulaire au moyen d'une agitation. Egalement dans ce cas, il existe le problème d'unifor-30 miser les diamètres des particules de l'hydrogène solide. Dans le cas de la production d'un tel hydrogène au moyen de la méthode de réduction de pression continue, comme l'hydrogène liquide est fourni dans le récipient fermé, puis la pression à l'intérieur du récipient fermé est diminuée à pas plus que la pression du point triple de façon à produire la couche solide d'hydrogène dans la partie de surface liquide, l'hydrogène solide peut être produit à partir de la partie de couche liquide qui est en contact avec la phase gazeuse, ainsi qu'à partir des parties qui sont en contact avec la paroi périphérique interne du récipient En conséquence, bien qu'une opération d'agitation soit menée dans la partie de phase liquide, il est difficile de briser la couche solide car la couche solide s'est formée le long de la paroi périphérique Il est également difficile de produire un tel hydrogène dans tout l'intérieur du récipient fermé. Par ailleurs, dans le cas de la production d'un tel hydrogène au moyen de la méthode de réduction de pres- sion intermittente, comme la partie d'hydrogène solide congelé le long de la paroi périphérique du récipient est fondue par variation périodique de pression à l'intérieur du récipient fermé d'une pression ne dé- passant pas le point triple à une pression dépassant le point triple, de sorte que la couche solide produite sur la surface liquide peut couler dans le liquide du fait de la différence de densités entre eux, la création et la croissance de la couche solide peuvent être aug- mentées en exposant la surface liquide à la phase gazeuse de temps en temps (de quelques secondes à dix et quelques secondes) Mais, dans ce cas, comme l'hydrogène solide coule simplement dans l'hydrogène liquide, il est encore difficile d'uniformiser les diamètres des parti- cules solides dans le liquide. En d'autres termes, par le dispositif usuel de produc- tion d'un tel hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide coexistant l'un avec l'autre, il est possible de produire un tel hydrogène, mais il est difficile de produire celui-ci pour qu'il présente des particules solides de diamètre uniforme En consé- quence, aucune application pratique de cet appareil ne 5 peut être envisagée à court terme Par ailleurs, les appareils précédemment présentés au cours des confé- rences précitées sont simplement destinés, princi- palement, à produire cet hydrogène, mais l'alimentation en hydrogène liquide, en tant que matériau brut, et10 l'évacuation de l'hydrogène ainsi produit, ne sont pas considérées dans ces appareils. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvé- nients, et concerne un appareil de production d'hydro- gène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène15 liquide coexistant l'un avec l'autre, qui est capable de produire efficacement un tel hydrogène présentant des particules solides de diamètre uniforme, au moyen d'une procédure industrielle. A cet effet, l'appareil de production d'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide coexistant l'un avec l'autre, par une méthode de réduction de pression intermittente, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'un conduit d'alimentation et d'évacuation de l'hydrogène liquide est relié à la25 partie inférieure du récipient fermé isolé, un conduit d'échappement et un conduit d'alimentation en hélium gazeux sont reliés à la partie supérieure dudit réci- pient fermé isolé, un échangeur de chaleur et une pompe à vide sont agencés dans ledit conduit d'échappement, dans cet ordre, en partant du récipient fermé isolé, des -moyens d'agitation sont disposés à l'intérieur dudit récipient fermé isolé, et lesdits moyens d'agitation sont adaptés pour être entraînés de l'extérieur du récipient fermé isolé. Ainsi, il est possible de mélanger les particules d'hydrogène solide avec l'hydrogène liquide, en brisant la couche solide par les moyens d'agitation, quand la couche solide coule dans l'hydrogène liquide en dimi- 5 nuant le degré de vide à l'intérieur du récipient isolé. Par ailleurs, comme l'hydrogène solide et l'hydrogène liquide sont agités, il est possible d'uniformiser le diamètre des particules d'hydrogène solide, ainsi que de produire un hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et10 de l'hydrogène liquide, qui présente une meilleure fluidité. Comme le mélange de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide est effectué par les moyens d'agitation de cette façon, les particules solides peuvent être mélangées15 uniformément à l'intérieur du récipient fermé isolé même si le diamètre interne du récipient fermé isolé est important En conséquence, les particules d'hydrogène solide servent de noyaux pour la congélation ultérieure de l'hydrogène liquide pour augmenter le taux de pro-20 duction en hydrogène solide et améliorer l'efficacité de la production de l'hydrogène incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide, de sorte qu'une grande quantité de celui-ci peut être produite rapidement. Par ailleurs, comme le conduit d'alimentation et d'éva- cuation de l'hydrogène liquide est relié à la partie inférieure du récipient fermé isolé, tandis que le conduit d'échappement et le conduit d'alimentation en hélium gazeux sont reliés à la partie supérieure du récipient fermé isolé, il est possible d'alimenter, de30 façon efficace, l'hydrogène liquide, en tant que matériau brut, et d'évacuer l'hydrogène ainsi produit. Avantageusement, ledit récipient fermé isolé est du type récipient double, et présente un espace isolant sous vide prévu entre un récipient interne et un récipient externe, tandis qu'un dispositif de stockage d'azote 5 liquide pour refroidir le récipient externe est disposé dans l'espace prévu entre les récipients interne et externe. De préférence, les récipients interne et externe sont munis de fenêtres d'observation, de sorte que l'état de10 l'hydrogène liquide à l'intérieur du récipient interne peut être confirmé visuellement de l'extérieur grâce auxdites fenêtres. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique montrant la cons- truction d'un appareil conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe d'un récipient fermé isolé. Sur les figures 1 et 2, la référence numérique 1 désigne un récipient fermé isolé L'hydrogène liquide est contenu à l'intérieur du récipient fermé isolé 1, et l'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide, est produit à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 en augmentant et en diminuant la25 pression à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 à proximité de la pression du point triple ( 7 k Pa) de l'hydrogène. A la partie inférieure du récipient fermé isolé 1, est relié un conduit 2 d'alimentation et d'évacuation de30 l'hydrogène liquide, qui sert à amener l'hydrogène liquide à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 et à évacuer l'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide, produit Une vanne 3 de rem- plissage et d'évacuation de l'hydrogène liquide est 5 disposée dans le conduit 2 d'alimentation et d'évacua- tion de l'hydrogène liquide. A la partie supérieure du récipient fermé isolé 1, sont reliés un conduit d'échappement 4 qui sert à évacuer le gaz à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 et un10 conduit d'alimentation 5 en hélium gazeux qui sert à amener de l'hélium gazeux sous pression dans le réci- pient fermé isolé 1 Une vanne 6 d'ouverture/fermeture, un échangeur de chaleur 7, une vanne de régulation de flux 8, et une pompe à vide 9 sont agencés dans le15 conduit d'échappement 4, dans cet ordre, en partant du récipient fermé isolé 1, et une vanne de régulation de flux 10 et une vanne d'ouverture/fermeture 11 sont agencées dans le conduit d'alimentation 5 en hélium gazeux, dans cet ordre, en partant d'une source d'ali-20 mentation en hélium (non montrée). Comme montré sur la figure 2, le récipient fermé isolé 1 est du type récipient double, et présente un espace isolant sous vide entre un récipient interne 12 et un récipient externe 13, et un récipient de stockage25 d'azote liquide 14 disposé, pour refroidir le récipient externe 13, dans l'espace entre les récipients interne 12 et externe 13, de façon à diminuer la différence de températures entre ceux-ci Des fenêtres d'observation sont disposées dans les conteneurs interne 12 et externe 13 respectifs, de façon à permettre à un opéra- teur de confirmer visuellement l'état de l'hydrogène liquide à l'intérieur du récipient interne 12. Des moyens d'agitation 16 sont disposés à l'intérieur du récipient interne 12 Un arbre rotatif 17 des moyens d'agitation 16 est adapté pour être tourné au moyen d'un moteur d'entraînement 19 disposé à l'extérieur d'une5 ouverture supérieure 18 du récipient fermé isolé 1. L'arbre rotatif 17 des moyens d'agitation 16 et l'arbre de sortie du moteur d'entraînement 19 sont couplés en rotation l'un à l'autre dans une condition sans contact au moyen d'un dispositif de couplage 20 utilisant des10 moyens de couplage magnétiques. Un capteur de température 21, comportant des thermocou- ples, et un instrument de mesure de densité 22 sont montés à l'intérieur du récipient interne 12 du réci- pient fermé isolé 1 du type récipient double, de façon à15 être immergés dans l'hydrogène liquide contenu à l'in- térieur de celui-ci. Par ailleurs, sur les figures 1 et 2, la référence numérique 23 désigne un dispositif de commande qui sert à traiter les signaux de sortie du capteur de tempéra- ture 21 et de l'instrument de mesure de densité 22, et la référence numérique 24 désigne une caméra vidéo disposée en regard des fenêtres d'observation 15 L'état de l'hydrogène liquide peut être contrôlé grâce à la caméra vidéo 24 Des moyens isolants sont prévus sur le25 conduit 2 d'alimentation et d'évacuation de l'hydrogène liquide, agencé au-dessous du récipient fermé isolé 1. La méthode de production de l'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide, associée à l'appareil de production qui vient d'être décrit, sera30 expliquée ci-après. L'hydrogène liquide est fourni par le conduit 2 d'ali- mentation et d'évacuation de l'hydrogène liquide dans le récipient fermé isolé 1 qui a été préalablement suffi- sanment refroidi Dans ce cas, comme la pression atmos- phérique règne à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 avant cette alimentation en hydrogène liquide, la 5 température de l'hydrogène liquide fourni vaut 20,30 K, la pression à l'intérieur de celui-ci vaut 101,4 k Pa, et la masse volumique de l'hydrogène liquide fourni vaut 3 0,81 kg/m En mettant en oeuvre la pompe à vide 9 de façon à évacuer l'hydrogène gazeux du récipient fermé isolé 1 après ouverture du conduit d'échappement 4, la pression à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 est diminuée à 7,3 k Pa, en tant que pression du point triple de l'hydrogène Ainsi, l'hydrogène liquide commence à geler à sa surface et là o il est en contact avec la15 paroi du récipient interne 12 A ce moment, la tempéra- ture de l'hydrogène liquide est de 13,80 K, et la masse volumique de celui-ci est de 77,06 kg/m 3, tandis que la température de l'hydrogène solide est de 13,80 K et la 3 masse volumique de celui-ci est de 86, 67 kg/m Puis, après l'écoulement d'un certain temps (environ 10 secondes) après la réduction de pression, la vanne 6 est fermée pour augmenter un peu la pression interne du récipient fermé isolé 1, de sorte que la pression interne augmente au-dessus de la pression du point25 triple En conséquence, la partie de l'hydrogène gelé en contact avec la surface de paroi, fond du fait de la chaleur provenant de la paroi du récipient, puis la partie de surface de celui-ci composée de l'hydrogène solide gelé coule dans l'hydrogène liquide Ensuite,30 comme les moyens d'agitation 16 fonctionnent à l'inté- rieur du récipient fermé isolé 1, l'hydrogène solide gelé est fragmenté en petits morceaux d'hydrogène solide, qui sont mélangés avec l'hydrogène liquide. Après l'écoulement d'un certain temps (environ 10 secondes) après l'abaissement du degré de vide, la vanne 6 dans le conduit d'échappement 4 est à nouveau ouverte pour permettre un échappement à partir du récipient fermé isolé 1 et pour diminuer la pression interne du récipient 1 à la pression du point triple, de sorte que l'hydrogène solide peut être produit à nouveau dans la partie de surface de l'hydrogène liquide Quand la fin de la production de l'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide, est confirmée par une inspection visuelle par les fenêtres d'observation 15 ou que la masse volumique de l'hydrogène liquide détectée par l'instrument de mesure de densité 22 immergé dans l'hydrogène liquide à l'intérieur du récipient fermé isolé 1 présente une valeur intermédiaire (par exemple, 81,54 kg/m 3) entre la masse volumique de l'hydrogène liquide ( 77,06 kg/m 3) à la température du point triple et la masse volumique de l'hydrogène solide ( 86,67 kg/m 3) en répétant ces procédures, la pression à l'in- térieur du récipient fermé isolé 1 est conservée pendant plusieurs heures pour maintenir la pression du point triple Dans ce cas, la raison de cela est que les particules d'hydrogène solide présentent des "cornes" qui affectent, de façon néfaste, leur fluidité juste après leur production, mais celles-ci sont éliminées des particules d'hydrogène solide, de sorte que leur confi- guration sera changée pour ne plus affecter, de façon néfaste, la fluidité, quand plusieurs heures se sont écoulées après leur production. Après écoulement de cette période de temps, la vanne de régulation de flux 10 du conduit d'alimentation 5 en hélium gazeux est ouverte, et la vanne 3 du conduit 2 d'alimentation et d'évacuation de l'hydrogène liquide est ouverte, de sorte que l'hélium gazeux sous pression est amené dans le récipient fermé isolé 1, puis il l'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide, sous forme de "sorbet", en est évacué. REVENDICATIONS 1 Appareil de production d'hydrogène, incluant de l'hydrogène solide et de l'hydrogène liquide coexistant l'un avec l'autre, par des procédures répétées de congélation et de fusion de l'hydrogène liquide contenu à l'intérieur d'un récipient fermé isolé ( 1), caractérisé en ce qu'un conduit ( 2) d'alimentation et d'évacuation de l'hydrogène liquide est relié à la partie inférieure dudit récipient fermé isolé ( 1), un conduit d'échappement ( 4) et un conduit d'alimentation ( 5) en hélium gazeux sont reliés à la partie supérieure dudit récipient fermé isolé ( 1), un échangeur de chaleur ( 7) et une pompe à vide ( 9) sont agencés dans ledit conduit d'échappement ( 4), dans cet ordre, en partant du récipient fermé isolé ( 1), des moyens d'agitation ( 16) sont disposés à l'intérieur dudit récipient fermé isolé ( 1), et lesdits moyens d'agitation ( 16) sont adaptés pour être entraînés de l'extérieur du récipient fermé isolé ( 1). 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit récipient fermé isolé ( 1) est du type récipient double, et présente un espace isolant sous vide prévu entre un récipient interne ( 12) et un récipient externe ( 13), tandis qu'un dispositif de stockage d'azote liquide ( 14) pour refroidir le réci- pient externe ( 13) est disposé dans l'espace prévu entre les récipients interne ( 12) et externe ( 13). 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les récipients interne ( 12) et externe ( 13) sont munis de fenêtres d'observation ( 15), de sorte que l'état de l'hydrogène liquide à l'intérieur 13 - du récipient interne ( 12) peut être confirmé visuelle- ment de l'extérieur grâce aux fenêtres ( 15).