Brevet FR2865016A1 — publié le 20050715

Installation de stockage d'hydrogène pour l'alimentation de pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, et véhicule incorporant une telle installation La présente invention concerne les installations de stockage d'hydrogène pour l'alimentation de pile à combustible, plus particulièrement pour applications automobiles. Pour les applications embarquées, l'hydrogène, servant à l'alimentation de moteurs à combustion interne et/ou de piles à combustibles servant ou participant à la propulsion ou à l'élaboration de puissance électrique embarquée, est stockable sous forme gazeuse ou sous forme liquide. Le stockage sous forme gazeuse impose des pressions très élevées se traduisant par un alourdissement et une conformation imposée des réservoirs. Le stockage sous forme liquide permet le stockage sous faible pression, proche de la pression atmosphérique, mais impose une parfaite isolation pour maintenir le liquide dans le réservoir à une température proche de 20K. Jusqu'à présent, on a eu donc recours à des réservoirs également sophistiqués, à conformation imposée, avec des inter-parois sous-vide, ce qui obère grandement les coûts de fabrication. La présente invention a pour objet de proposer une installation de stockage de coûts réduits, permettant l'utilisation d'un réservoir léger disposant d'une isolation de moindre performance, et donc simple à mettre en oeuvre et économique à fabriquer, mais garantissant toutefois un maintien en froid convenable à la pression proche de la pression atmosphérique, pour profiter d'un fluide cryogène liquide. Pour ce faire, selon l'invention, l'installation comprend: un réservoir d'hydrogène liquide comportant une enveloppe isolante en matériau cellulaire incorporant au moins un premier écran métallique; un circuit d'évacuation d'hydrogène gazeux, relié à l'entrée d'hydrogène d'une pile à combustible et ayant au moins une portion en relation d'échange thermique avec le premier écran; et une machine frigorifique électrique connectée à la pile à combustible et ayant au moins une partie froide en relation d'échange thermique au moins avec le premier écran. Selon d'autres aspects de l'invention: - le réservoir comprend au moins un second écran thermique également en relation d'échange thermique avec une portion du circuit d'évacuation d'hydrogène gazeux; - au moins un des écrans thermiques est composé d'un assemblage sandwich d'au moins deux plaques métalliques comportant avantageusement des zones déformées en gouttière constituant au moins une partie des portions du circuit d'évacuation d'hydrogène gazeux en relation d'échange thermique avec l'écran thermique correspondant. La présente invention concerne également un véhicule comprenant une installation de stockage d'hydrogène du type ci-dessus, la pile à combustible participant avantageusement à la propulsion dudit véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique, en coupe verticale pour le réservoir, d'une installation selon l'invention; et - la figure 2 est une vue schématique en perspective et en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un écran thermique selon l'invention. L'installation représentée schématiquement sur la Figure 1 comporte un réservoir, généralement désigné par la référence 1, de forme quelconque, dont la paroi épaisse est constituée par une masse conformée de mousse thermoplastique multi-couches, en forme de coque à résistance de forme, généralement désignée par la référence 2, dans laquelle sont noyés au moins un, avantageusement au moins deux écrans thermiques 3 extérieur et 4 intérieur. Le matériau de la mousse est avantageusement une mousse polyuréthane à cellules fermées. Le matériau des écrans est avantageusement un alliage métallique conducteur à base de cuivre ou aluminium. L'écran intérieur 4 peut être agencé pour servir d'enveloppe résistant à la pression. Dans ce cas, la couche d'isolation interne de la masse d'isolant 2 est en contact direct avec l'hydrogène liquide dans la cavité interne 5 du réservoir 1, ce qui peut permettre d'éviter l'installation d'une enveloppe métallique interne telle que 6. Le réservoir 1 est classiquement pourvu d'une canalisation 7 d'extraction de l'hydrogène liquide, muni d'une vanne, traversant l'épaisseur de mousse. Selon un aspect de l'invention, le réservoir 1 comporte en outre un circuit 8 d'évacuation de l'hydrogène gazeux se trouvant au-dessus de la masse d'hydrogène liquide, ayant donc une extrémité interne 9 débouchant dans la partie haute du réservoir et une extrémité extérieure 10 reliée à l'entrée d'hydrogène d'une pile à combustible 11 fournissant, en sortie de bornes 12, de l'énergie électrique. Le circuit 8 comporte avantageusement un clapet de surpression pour une mise à l'air de l'hydrogène gazeux quand la pression dans la cavité 5 atteint une valeur maximale déterminée, typiquement d'environ 3,5 bars. Le circuit 8 comporte une portion intérieure 13 courant le long de l'écran intérieur 4, en relation d'échange thermique avec ce dernier, ainsi qu'une portion aval 14 courant le long de l'écran extérieur 3 et en relation d'échange thermique avec ce dernier. Selon un autre aspect de l'invention, une machine frigorifique 15, par exemple du type pulse-tube, Stirling ou Brighton, alimentée par l'énergie électrique disponible aux bornes de sortie 12 de la pile 11, est associée au réservoir 1 (avantageusement monté sur ce dernier), avec son bout froid 16 pénétrant dans l'enveloppe de mousse du réservoir 1, pour venir en relation d'échange thermique avec au moins l'écran externe 3. On comprendra de ce qui précède, que les écrans thermiques 3 et 4 sont en permanence refroidis par le débit d'hydrogène gazeux évacué par le circuit 8, et en outre, au moins temporairement, par la machine frigorifique 15 exploitant l'énergie électrique offerte par l'hydrogène gazeux s'évaporant dans le réservoir 1 et alimenter la pile à combustible 11. L'installation selon l'invention permet donc de réaliser facilement un réservoir 1 de forme libre (n'étant pas soumis à la pression), susceptible donc de s'intégrer au mieux dans les espaces disponibles des véhicules, de faibles coûts de fabrication (par exemple par simple projection de mousse au lieu de l'application minutieuse de nombreuses multi-couches selon les techniques connues) et évitant les opérations classiques, longues et dispendieuses, de mise sous-vide et de vérification du maintien sous vide. De plus, en raison de l'absence de vide, les performances thermiques du réservoir ne sont pas significativement dégradées en cas de choc ponctuel, assurant ainsi une sécurité accrue aux véhicules. Les écrans thermiques 3 et 4 sont typiquement réalisés par l'assemblage de plaques minces d'aluminium et/ou de cuivre. Selon un aspect de l'invention, comme représenté sur la figure 2, l'écran thermique, en l'occurrence l'écran 3, est constitué par un assemblage de trois plaques métalliques 31, 32 et 33, au moins une des plaques externes 31 et/ou 33 étant gaufrée pour présenter des déformations longitudinales en gouttière 34, 35 délimitant, avec la plaque intermédiaire 32 ou avec l'autre plaque extérieure 33 dans le cas où la plaque intermédiaire 32 comporte des évidements longitudinaux 36, des canaux 14A, 14B constituant au moins en partie la portion 14 de circuit 8 d'évacuation d'hydrogène gazeux. Cet agencement évite les problèmes de jonction entre des tubulures distinctes et les écrans thermiques, favorise grandement les relations d'échange thermique entre le gaz circulant et l'écran, et rigidifie ce dernier. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Installation de stockage d'hydrogène pour l'alimentation d'une pile à combustible, comprenant: un réservoir d'hydrogène liquide (1) comportant une enveloppe isolante (2) en matériau cellulaire incorporant au moins un premier écran métallique (3), un circuit (8) d'évacuation d'hydrogène gazeux, relié à l'entrée d'hydrogène d'une pile à combustible (11) et ayant au moins une portion (14) en relation d'échange thermique avec le premier écran, une machine frigorifique électrique (15) reliée à la pile à combustible (11) et ayant au moins une partie froide (16) en relation d'échange thermique au moins avec le premier écran (3). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir comprend au moins un second écran thermique (4) également en relation d'échange thermique avec une portion (13) du circuit d'évacuation (8). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le deuxième écran thermique (4) est disposé à l'intérieur du premier écran thermique (3). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le deuxième écran thermique (4) est une enveloppe à résistance de forme. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'enveloppe isolante (2) est constituée d'au moins deux couches de mousse de polyuréthane. 6. Installation selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un des premier et second écrans thermiques (3;4) est composé d'un assemblage d'au moins deux plaques métalliques (31, 32). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'au moins une partie (14A;14B) de la portion (14;13) de circuit (8) en relation d'échange thermique avec l'écran (3;4) est formé par des zones déformées en gouttière (34;35) desdites plaques (31;32). S6486 03/04 8. Véhicule comprenant une installation de stockage d'hydrogène selon l'une des revendications précédentes. 9. Véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pile à combustible participe à la propulsion du véhicule.