Brevet FR2690222A1 — publié le 19931022

RECIPIENT DE STOCKAGE POUR DE L'HYDROGENE LIQUIDE L'invention a pour objet un récipient de stockage pour de l'hydrogène liquide. Dans la description et les revendications qui suivent, on utilisera pour l'hydrogène gazeux et l'hydrogène liquide les abréviations respectives suivantes: GH 2 (hydrogène ga- zeux) et LH 2 (hydrogène liquide). L'hydrogène présente un intérêt grandissant en tant que porteur d'énergie du fait des besoins croissants en énergie et de la sensibilité croissante à l'égard de l'environnement. Aussi, s'interroge t-on, à l'heure actuelle, sur la possibi- lité dans un avenir proche de faire fonctionner des turbines ou des moteurs d'aéronefs, de véhicules industriels, de bus et même de voitures particulières à l'aide d'hydrogène Le stockage de l'hydrogène à bord des appareils de locomotion précités sous forme liquide est bien entendu la solution la plus raisonnable Il faut cependant refroidir l'hydrogène à une température de l'ordre de 250 K et le maintenir à cette température, ce qui ne peut être obtenu que par des mesures d'isolation appropriées des réservoirs ou tanks de stockage, car un stockage à l'état gazeux n'est en général par envisa- geable sur les moyens de transport précité du fait de la faible densité de l'hydrogène gazeux Pour des raisons tech- niques de sécurité, des mesures de sécurité supplémentaires doivent être prises sur les véhicules à moteur à hydrogène, mesures que l'onn'avait pas à considérer jusqu'à présent, de sorte que l'isolation que requiert le récipient de stockage ne sert pas seulement au maintien de la température L'état actuel de la technique relative au développement de l'uti- lisation de l'hydrogène comme carburant est décrit, par exemple, dans l'article "Flussiger Wasserstoff als Motoren- kraftstoff der Zukunft", Prof Dr W Peschka tiré à part de "Maschinenwelt-Elektrotechnik", 43 Jg, Heft 8/9-1988 et dans "Liquid Hydrogen Fueled Automobiles: On-Board and Stationary Cryogenic Installations", R Ewald, Cryogenics 1990, Vol 30 Sept Supplement. Les moteurs fonctionnant à l'hydrogène nécessitent du GH 2 à une surpression de l'ordre de 3 à 4 bars Le remplis- sage des récipients ou tanks de stockage avec du LH 2, est effectué à une température de l'ordre d'environ 200 K et sous une faible surpression Aussi pour cette raison, est-il né- cessaire, avant la mise en circulation du véhicule, d'aug- menter la pression régnant dans le récipient de stockage. Ceci a été réalisé jusqu'à maintenant par injection dans le liquide d'hydrogène provenant de bouteilles externes par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation du récipient de stockage Comme cette augmentation de pression est actuelle- ment réalisée alors que le véhicule est sur le lieu du rem- plissage, il en résulte une complication et une prolongation des opérations de stockage. Afin de maintenir, durant le déplacement du véhicule, la pression requise de 3 à 4 bars, du LH 2 présent dans le récipient de stockage est vaporisé Ceci est réalisé du fait de la présence de moyens de chauffage électrique disposés dans le fond du réservoir. Dans une demande de brevet parallèle déposée au nom de la demanderesse, sous le titre: "Récipient de stockage d'hy- drogène liquide et procédé d'exploitation d'un groupe moto- propulseur à hydrogène liquide ou gazeux prélevé dans un tel récipient de stockage" est décrit un récipient de stockage muni d'une pompe mammouth intégrée au réservoir et qui permet de réaliser, plus rapidement, de façon plus simplifiée et plus sûre, les flux nécessaires à la montée en pression et le maintien à la pression requise. Dans le cas o l'on souhaite alimenter un moteur en LH 2, ce qui est, par exemple, le cas de moteurs nécessitant un mélange interne, l'emploi d'une pompe mammouth n'a pas de sens. Le but de l'invention est de disposer d'un récipient de stockage de LH 2, qui permette l'alimentation d'un moteur de véhicule automobile de façon simple et peu sensible aux pan- nes sous l'angle de la technique de réglage. Ceci est résolu conformément à l'invention en ce que l'on dispose à l'intérieur du récipient de stockage une pompe actionnée mécaniquement dont la conduite de refoulement dé- bouche dans le volume gazeux du récipient de stockage et en ce qu'un récipient de trop-plein est fixé à l'extrémité de ladite conduite, située dans ce volume gazeux. La pompe actionnée mécaniquement amène, par sa conduite de refoulement, le LH 2 dans le récipient de trop-plein dispo- sé dans le volume gazeux du récipient de stockage Une pompe d'injection disposée entre le récipient de stockage et le moteur injecte ensuite, sous haute pression, le LH 2 directe- ment dans la chambre de combustion du moteur. Le récipient de stockage conforme à l'invention se distingue de ceux connus de la technique par les avantages suivants: Du fait que le récipient de stockage fonctionne presque sans pressurisation, il en résulte une sécurité accrue du système fonctionnant à l'hydrogène à l'égard d'une libération d'hydrogène, en cas d'accident Il en résulte par conséquent que l'on peut renoncer à l'emploi d'un système de montée de pression et de maintien de la pression que requièrent les nombreux récipients de stockage que l'on dénombre dans l'état de la technique De plus, la réduction des mécanismes de commande employés jusqu'à présent, a pour conséquence que le système de stockage est moins cher et moins sensible aux pannes. A titre d'avantage supplémentaire important, il faut mentionner une réduction des pertes d'hydrogène par évapora- tion, lors du stationnement du véhicule automobile, qui résul- te du fait que l'on peut transmettre au LH 2 une plus grande partie de la quantité de chaleur qui a traversé l'isolation du récipient de stockage car il n'y a pas d'apport de chaleur par le système de montée de pression et par le câble d'amenée de courant de l'organe de vaporisation par chauffage. Un mode de réalisation du récipient de stockage selon l'invention est caractérisé en ce qu'à l'intérieur du réci- pient de stockage pénètre une conduite d'alimentation dont l'extrémité comporte une pomme ou rampe d'arrosage. Du fait de la présence, à l'extrémité de la conduite d'alimentation d'une pomme ou rampe d'arrosage ou de distri- bution, le LH 2 d'alimentation peut être distribué ou pulvé- risé finement dans le volume gazeux du récipient de stockage avant de se joindre au reste du liquide Si en outre, le LH 2 provenant du tank fixe, dans lequel il est stocké à une pres- sion d'environ 1,2 bars, est transféré par une pompe dans le récipient de stockage, il se produit une condensation du GH 2 se trouvant dans le récipient de stockage Il en résulte que cela permet aussi d'éviter l'arrivée de GH 2 pendant le pro- cessus de remplissage du réservoir et par conséquent d'éviter une perte en carburant en résultant. Il résulte, du fait de l'élimination du tube plongeant dans le LH 2 employé jusqu'à présent, une augmentation de la sécurité du système de stockage car ne peut s'échapper à l'atmosphère que la quantité de gaz enclose dans le récipient de stockage et la quantité de gaz qui se vaporise lors d'une diminution de pression telle que celle qui peut se produire lors de la rupture d'une conduite ou d'une défaillance au niveau d'une vanne Le récipient de stockage fait, par consé- quent, fonction de chambre de confinement close à double paroi sans possibilité de vidange du LH 2 Cet aspect de la sécurité ne peut que contribuer à l'acceptation de l'emploi de l'hydrogène en tant que carburant. Un autre mode de réalisation de l'invention est carac- térisé en ce que l'extrémité de la conduite de refoulement, située dans le volume gazeux à côté du récipient de trop- plein, est munie d'un organe de vaporisation par chauffage. Le mode de réalisation du récipient de chauffage con- forme à l'invention permet l'alimentation des moteurs ordi- naires de véhicules automobiles en LH 2 et/ou en GH 2, car grâce à l'organe de vaporisation par chauffage, il est pos- sible de réaliser la montée en pression et le maintien de celle-ci à la valeur de la pression de fonctionnement de 3 à 4 bars qui est requise pour les moteurs de véhicules automo- biles actuels Le LH 2 s'échappant de l'extrémité débouchant dans le volume gazeux de la conduite de refoulement arrive sur l'organe de vaporisation par chauffage, o il est tota- lement ou partiellement vaporisé et le LH 2 et/ou le GH 2, est prélevé hors du réservoir de stockage par le récipient de trop-plein et par la conduite de prélèvement qui en part et est amené au moteur du véhicule automobile. Dans le cas de l'alimentation des moteurs actuels de véhicules automobiles en LH 2 et/ou en GH 2, il est en outre proposé dans le cadre de la présente invention que l'inté- rieur du récipient de stockage soit muni de plusieurs tôles disposées verticalement et parallèlement entre elles. Bien entendu, le spécialiste en la matière connaît d'autres dispositifs tels que par exemple des inserts de remplissage qui empêchent efficacement les oscillations de niveau du LH 2 La vitesse de recondensation du GH 2 en LH 2 dépend du mouvement superficiel de la masse de liquide De ce fait, il faut éviter que ne se produise, pendant le déplace- ment du véhicule, le mélange de LH 2 avec GH 2 Du fait de la présence des éléments anti-oscillations précités, il est possible d'empêcher les oscillations de niveau du LH 2 et par conséquent le mélange de LH 2 et de GH 2 qui en résulte. D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des figures 1 et 2 annexées. Les mêmes numéros de référence ont été donnés aux éléments constitutifs identiques. La figure 1 représente un récipient de stockage de LH 2 1, conforme à l'état de la technique, susceptible d'être em- ployé par exemple sur les véhicules automobiles A des fins de simplification des figures jointes, on a renoncé à repré- senter les éléments requis pour l'isolation des récipients de stockage En règle générale, le remplissage du récipient de stockage en LH 2 n'est autorisé que jusqu'à 95 % de la capacité du volume Au-dessus du niveau 2 de LH 2, se trouve un volume vide 3 appelé volume gazeux dans la présente description et dans les revendications auxquelles elles donnent lieu Le remplissage en LH 2 du récipient de stockage 1 se produit durant l'opération de remplissage par l'intermédiaire de la conduite 4 A la fin de la procédure de remplissage, on re- foule du GH 2 dans le liquide 2 par la conduite 4 pour pro- duire la pression de fonctionnement de 3 à 4 bars requise A l'achèvement du processus de remplissage du réservoir et avant le fonctionnement du véhicule, on enclenche les moyens de chauffage électrique 6, disposés dans le fond du récipient de stockage 1 pour maintenir la pression du système à la valeur de service correcte Le LH 2 nécessaire pour assurer le fonctionnement du moteur est prélevé par la conduite 4, vapo- risé et réchauffé par échange thermique avec l'eau de re- froidissement du moteur (non représenté sur la figure) et amené au moteur L'échappement à l'atmosphère du GH 2, néces- saire en cas de stationnement prolongé, est réalisé via la conduite 5. La figure 2 représente un récipient de stockage 1 con- forme à l'invention, contenant une pompe actionnée mécanique- ment L'alimentation en LH 2 du récipient de stockage 1 est effectuée par la conduite d'alimentation 7 Celle-ci est munie à son extrémité d'une rampe ou pomme d'arrosage ou de distribution permettant de distribuer finement ou pulvériser le LH 2 dans le volume gazeux 3, vers le reste du liquide contenu dans le récipient de stockage 1 Le LH 2 est trans- porté par l'intermédiaire d'une pompe mécanique 9 et d'un conduit 10 dans le récipient de trop-plein 11 Dans le cas o le récipient de stockage 1 selon l'invention est muni d'un moyen d'évaporation par chauffage, celui-ci se trouve en règle générale placé entre l'extrémité de la conduite de re- foulement 10 se trouvant dans le volume gazeux et le réci- pient de trop-plein 11 Le LH 2 est ensuite prélevé du réci- pient de trop-plein 11 et conduit, par la conduite de sortie 12, hors du récipient de stockage. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Récipient de stockage pour hydrogène liquide carac- térisé en ce qu'à l'intérieur du récipient de stockage ( 1) est disposée une pompe ( 9) actionnée mécaniquement et dont la conduite de refoulement ( 10) débouche dans le volume gazeux ( 3) du récipient de stockage et en ce qu'est fixé un réci- pient de trop-plein ( 11) à l'extrémité de ladite conduite ( 10) se trouvant dans le volume gazeux. 2. Récipient de stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'intérieur du récipient de stockage ( 1) pénètre une conduite d'alimentation ( 7) dont l'extrémité comporte une pomme ou rampe d'arrosage ( 8). 3. Récipient de stockage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité de la conduite de refou- lement ( 10), située dans le volume gazeux ( 3) à côté du réci- pient de trop-plein ( 11) est munie d'un organe de vaporisa- tion par chauffage. 4. Récipient de stockage selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'intérieur du récipient de stockage ( 1) est muni de plusieurs tôles disposées verticalement et parallèlement entre elles.