Brevet FR3077579A1 — publié le 20190809

DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de l'utilisation de l'hydrogène. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de gestion pour l'alimentation en hydrogène d'un appareil de combustion ou autre. L'invention trouve notamment des applications pour alimenter un appareil de combustion tel qu'un chalumeau à hydrogène ou un brûleur, pour alimenter un appareil d'analyse d'un laboratoire, pour alimenter un appareil de nettoyage interne d'un moteur, ou pour alimenter tout autre appareil consommant de l'hydrogène. ETAT DE LA TECHNIQUE On sait que l'électrolyse de l'eau permet la production d'une part d'hydrogène, d'autre part d'oxygène. De tels générateurs sont constitués, de manière schématique, d'un conteneur rempli d'eau, dans laquelle plongent des électrodes reliées à une source de courant continu. L'hydrogène ainsi produit, est acheminé pour alimenter l'appareil ou le dispositif destiné à sa consommation sous quelque forme que ce soit. L'invention vise l'alimentation en hydrogène d'appareils de combustion de l'hydrogène, tels que brûleur, pour quelque application que ce soit, ou des dispositifs tels que des chalumeaux. Il convient de souligner que l'hydrogène produit par electrolyse, comprend généralement des impuretés telles que par exemple des vapeurs d'acide, qui peuvent entraîner des défaillances des appareils de combustion d'un 30 tel hydrogène. 2 De manière connue, les moyens d'alimentation en hydrogène de tels appareils, situés en aval des générateurs (moyens de production par électrolyse de l'eau), comportent un récipient rempli d'eau, dans lequel 5 barbote l'hydrogène produit. De tels moyens connus sont décrits par exemple par les brevets chinois CN 21 26 130, CN 6-146 873 ou CN 10 58 03 479. 10 Cependant, ces moyens connus présentent des inconvénients. Premièrement, ils ne donnent pas ou peu satisfaction au regard des règles de sécurité liées à la production d'hydrogène. 15 Deuxièmement, il nécessite deux circuits indépendants de réserve ou d'alimentation en eau, à savoir un pour le circuit de barbotage, et l'autre pour le générateur lui-même. Troisièmement, il n'assure pas un équilibre fiable et adéquat dépression 20 respective de l'hydrogène et de l'eau de barbotage. Quatrièmement et surtout, ces dispositifs connus sont limités en débit d'hydrogène, ce qui affecte l'étendue des applications possibles. 25 EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose un dispositif de gestion d'hydrogène produite par un générateur d'hydrogène par électrolyse, comprenant des moyens d'alimentation en hydrogène d'un appareil consommant ce dernier, qui 30 permet des débits variables jusqu'à des débits relativement importants, de 3 l'ordre de 400 à 900 limin, qui soit parfaitement sûr et fiable et assurant un équilibre entre les pressions de gaz et d'eau. A cette fin, selon l'invention, le dispositif de gestion d'hydrogène pour 5 l'alimentation en hydrogène d'un appareil, du type comportant : - des moyens de connexion à un générateur d'hydrogène par électrolyse de l'eau comportant un conteneur rempli d'eau, des électrodes susceptibles d'être reliées à une source de courant continu, les moyens de connexion comprenant au moins une entrée 10 permettant au générateur d'alimentant ledit dispositif en hydrogène et au moins une sortie permettant audit dispositif d'alimenter le générateur en eau ; - des moyens de connexion audit appareil ; est caractérisé en ce que le dispositif comprend : 15 - un réservoir tampon comprenant de l'hydrogène généré et de l'eau alimentant le générateur ; - un réservoir de barbotage de l'hydrogène provenant du réservoir tampon, l'hydrogène circulant entre le réservoir tampon et le réservoir de barbotage par au moins un conduit de premier type. 20 Ainsi, le dispositif permet d'alimenter l'appareil avec de l'hydrogène ayant une quantité infime d'impuretés. Le nettoyage étant notamment effectué par barbotage de l'hydrogène dans l'eau. L'hydrogène nettoyé est ensuite asséché à l'intérieur de l'enceinte de séchage. 25 Il convient de souligner qu'en outre le barbotage de l'hydrogène dans l'eau implique une augmentation de la pression de l'hydrogène à l'intérieur du réservoir de barbotage par rapport au réservoir tampon, lorsque le dispositif est en fonctionnement et alimente l'appareil. 4 Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comprend également une enceinte de séchage de l'hydrogène provenant du réservoir de barbotage, l'hydrogène circulant entre le réservoir de barbotage par au moins un conduit de deuxième type, l'hydrogène séché 5 permettant d'alimenter ledit appareil par un conduit de troisième type. Ainsi, l'hydrogène alimentant l'appareil comprend une infime quantité de molécules d'eau. 10 Avantageusement, le réservoir tampon comprend une pluralité d'enceinte, dont la longueur est orientée verticalement, et stockant chacune une partie de l'hydrogène générée et une partie de l'eau. Ainsi, le réservoir tampon permet de mieux homogénéiser la pression de 15 l'hydrogène produit par le générateur. Préférentiellement, le réservoir de barbotage comprend une pluralité d'enceinte, dont la longueur est orientée verticalement, et comportant de l'eau dans laquelle est injectée l'hydrogène provenant du réservoir 20 tampon. Préférentiellement, l'enceinte de séchage comprend une pluralité de compartiment. 25 Avantageusement, chaque compartiment de l'enceinte de séchage dont la longueur est orientée verticalement, comprend une entrée d'hydrogène située dans la partie basse du compartiment et une sortie d'hydrogène située dans la partie haute dudit compartiment. 5 La configuration verticale des compartiments, permet notamment d'extraire de l'hydrogène asséché, les molécules d'eau éventuellement présentes dans cette enceinte étant plus lourde que les molécules d'hydrogène ayant tendance à se stratifier par gravité dans la partie basse 5 des compartiments. Préférentiellement, le troisième type de conduit comprend un diamètre intérieur inférieur au diamètre intérieur du deuxième type de conduit. 10 Ainsi, la pression à l'intérieur de l'enceinte de séchage est supérieure à la pression à l'intérieur du réservoir de barbotage. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, un clapet anti-retour est installé sur le tube de deuxième type. 15 Ainsi le clapet anti-retour permet d'éviter un retour d'hydrogène de l'enceinte de séchage vers le réservoir de barbotage ou de limiter l'aspiration de l'hydrogène par dépression lorsque le générateur est arrêté. 20 Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le tube de troisième type comprend également une buse en sortie, la buse ayant un diamètre intérieur plus petit que le diamètre du tube de troisième type. Ainsi, une perte de charge supplémentaire est ajoutée dans le circuit 25 contribuant mieux alimenter l'appareil consommant l'hydrogène. Avantageusement, le nombre d'enceinte du réservoir de barbotage est identique au nombre de compartiment de l'enceinte de séchage. 6 Préférentiellement, le volume de gaz dans chaque enceinte du réservoir de barbotage est égal au volume de gaz dans l'enceinte de séchage. Avantageusement, le nombre d'enceinte du réservoir tampon est le double 5 du nombre d'enceinte du réservoir de barbotage. Préférentiellement, le volume de gaz dans le réservoir tampon est égal au double du volume de gaz dans le réservoir de barbotage. 10 Préférentiellement, le nombre d'enceinte du réservoir tampon et le nombre de compartiment de l'enceinte de séchage est égal à trois et le nombre d'enceinte du réservoir tampon est égal à six. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne également un appareil de 15 combustion de l'hydrogène comprenant un dispositif de gestion d'hydrogène pour l'alimentation en hydrogène d'un appareil de combustion de ce dernier selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. 20 Un tel appareil de combustion comprend par exemple un chalumeau à hydrogène ou un brûleur d'hydrogène. PRESENTATION DES FIGURES 25 D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 montre schématiquement les éléments constitutifs du 30 dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 7 - la figure 2 illustre un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière 10 avantageuse. On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l'échelle. La figure 1 illustre de façon schématique le dispositif 100 de l'invention qui 15 comporte les éléments principaux suivants : - un réservoir tampon 50 comprenant trois enceintes 3, 4 et 5, disposés en série, et remplis partiellement d'eau ; - un réservoir de barbotage 6 d'hydrogène. 20 Le dispositif 100 est alimenté en hydrogène par un générateur hydrogène 1 par électrolyse de l'eau, de type connu en lui-même, connecté à un réservoir d'eau 2. Il convient de souligner que l'eau du réservoir 50 est additionnée 25 éventuellement d'un catalyseur chimique, destiné à augmenter la conductivité électrique dans le générateur 1. Le dispositif 100 fournit ensuite l'hydrogène à un appareil de combustion d'hydrogène, tel qu'un brûleur ou un chalumeau, et symbolisé par le bloc 30 7. 8 Le générateur d'hydrogène 1, représentée très schématiquement sur la figure, est du type connu en lui-même, et fonctionne par électrolyse de l'eau. Le générateur peut être avantageusement par exemple tel que 5 décrit dans la demande de brevet français numéro 15 57910 déposée au nom de Monsieur CHEMLA Richard. Le générateur 1 comprend un conteneur 8 remplit partiellement d'eau, de forme générale parallélépipédique, et dans lequel est prévue une série de 10 cellules individuelles, chacune incluant une électrode (non représentée et connue en elle-même). Les électrodes sont reliées à une source de courant électrique continu (non représenté et connu en elle-même). Le conteneur 8 comporte deux sorties d'hydrogène 9 et 10 reliées à une 15 connexion 11 en Té par des conduits respectifs 12 et 13. Un conduit d'alimentation 14 relie successivement : la connexion 11 en Té à la première enceinte 3 d'un réservoir tampon 50 par une entrée d'alimentation 15, 20 - puis cette dernière à une deuxième enceinte 4 du réservoir tampon 50, par une entrée d'alimentation 16, - enfin cette dernière à une troisième enceinte 5 du réservoir tampon 50, par une entrée d'alimentation 17. 25 La connexion 2 en Té alimente le conteneur 8 du générateur 1, en deux points d'entrée 18, 19 prévus sur le conteneur 8, par l'intermédiaire de deux conduits respectifs 20 et 21. Selon une caractéristique de l'invention, il est prévu comme décrit, deux 30 entrées d'eau, et deux sorties d'hydrogène. Ceci permet une parfaite 9 circulation de l'eau et de l'hydrogène et concourt ainsi à l'équilibrage des pressions et au fonctionnement fiable du dispositif. Par ailleurs, la connexion 2 en Té est reliée successivement aux parties 5 basses respectives de chaque enceinte 3, 4 et 5 du réservoir tampon 50, par l'intermédiaire de trois entrées respectives successives 22, 23 et 24. Le réservoir de barbotage 6 est relié à l'appareil de combustion 7 par un conduit 25 débouchant d'une sortie 26. 10 L'hydrogène, est évacué de la première enceinte 3 par une sortie 27 reliée à une sortie 28 de la deuxième enceinte 4, elle-même reliée à une sortie 29 de la troisième enceinte 5. Les sorties 27, 28 et 29 sont disposés en partie haute des enceintes du réservoir tampon 50. La sortie 29 de la 15 dernière enceinte 5 est reliée au réservoir de barbotage 6 d'hydrogène par un conduit 30 de premier type. Le fait d'utiliser deux, et de préférence trois, enceintes pour le réservoir tampon 50 concourt à l'équilibrage des pressions respectives de 20 l'hydrogène et de l'eau. Si la masse du gaz généré par l'électrolyse dans le générateur est supérieure à celle de l'eau contenue dans les enceintes 3, 4 et 5, le gaz forme une sorte de bouchon et empêche l'eau d'alimenter les cellules du générateur, stoppant l'électrolyse et par là-même, la production de gaz. Il importe que l'eau soit toujours en libre circulation. 25 Sur ledit conduit 30, est disposé un clapet anti retour 31, du type connu en lui-même, destiné à éviter une dépressurisation après utilisation, et qui aurait pour effet de déformer les parois des enceintes 3, 4 et 5. 10 Les flèches indiquées à proximité des différents conduits mentionnés ci-dessus symbolisent le cheminement respectif de l'hydrogène et de l'eau. Au sommet de la première enceinte 3, est prévu un manomètre 32 5 permettant d'afficher la pression d'hydrogène, et ainsi de s'assurer que la pression dans l'enceinte 3 est constante et stable, afin de garantir un fonctionnement de longue durée, en sécurité. Une soupape de sécurité 33 est reliée à un conduit 34 à une sortie 35 10 prévue en partie haute du réservoir de barbotage d'hydrogène 6. Un conduit de liaison 36 relie les conduits respectifs d'hydrogène 12 et d'eau 20, à proximité de la sortie d'hydrogène 9 et de l'entrée d'eau 18. Ceci permet d'éviter que l'hydrogène ne stagne dans le générateur. 15 Enfin, un écran d'affichage 38 affiche l'intensité du courant, en ampères, représentative de la puissance consommée en fonction du réglage choisi. Ce réglage (par l'intermédiaire d'un potentiomètre) agit sur la tension d'alimentation de chaque cellule et permet de choisir l'intensité de 20 production d'hydrogène fourni par chacune des cellules, selon les besoins des utilisateurs, et permet de contrôler le dosage du catalyseur chimique dilué dans l'eau contenue dans les trois réservoirs de barbotage 3, 4 et 5. La figure 2 illustre un autre exemple de mode de réalisation préférentiel de 25 l'invention. Un dispositif 200 de gestion d'hydrogène pour l'alimentation en hydrogène d'un appareil 210 de combustion de ce dernier est représenté en figure 2. Le dispositif 200 est alimenté par un générateur d'hydrogène 220, connu 11 en soi, par exemple identique au précédent mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 200 comprend : 5 - un réservoir tampon 230 comprenant de l'hydrogène provenant du générateur 220 et de l'eau destiné à alimenter le générateur 220 ; - un réservoir de barbotage 240 de l'hydrogène provenant du réservoir tampon 230, l'hydrogène circulant entre le réservoir tampon 230 et le réservoir de barbotage 240 par au moins un 10 conduit 235 de premier type ; - une enceinte 250 de séchage de l'hydrogène provenant du réservoir de barbotage 240, l'hydrogène circulant entre le réservoir de barbotage 240 par au moins un conduit 245 de deuxième type, l'hydrogène séché permettant d'alimenter l'appareil 210 de 15 combustion par un conduit 255 de troisième type. Le réservoir tampon 230 comprend six enceintes 231 identiques et connectées en série. Chaque enceinte 231, fermée, de forme sensiblement tubulaire, résistante à la pression, est orientée verticalement 20 selon la longueur. Chaque enceinte 231 est remplie partiellement par une quantité d'eau sensiblement identique, dont le volume est dans le présent exemple non limitatif de l'invention majoritaire par rapport au volume d'hydrogène. 25 L'hydrogène produit par le générateur 220 est déversée dans la partie haute de chaque enceinte 231 par un tube 225 de premier type connecté à un orifice 232 de chaque enceinte 231. 12 Il convient de souligner que la pression d'hydrogène va s'homogénéiser dans chaque enceinte 231. Une partie de l'hydrogène du réservoir tampon 230 s'extrait du réservoir 5 tampon 230 par le tube 235 connecté également dans la partie haute de chaque enceinte 231 par l'intermédiaire d'un orifice 233 formée dans chaque enceinte 231. Chaque enceinte 231 comprend également des orifices 234 immergées lo dans l'eau afin d'alimenter en eau le générateur 220. Il convient de souligner que dans cette configuration, l'hydrogène ne traverse généralement pas l'eau stockée dans chaque enceinte 231. La pression d'hydrogène est généralement sensiblement en équilibre avec la 15 pression de l'eau. L'hydrogène provenant du réservoir tampon 230 circule dans le conduit 235 de deuxième type jusqu'à la partie basse de trois enceintes 241 identiques constituant le réservoir 240 de barbotage et rentre dans l'eau 20 par l'intermédiaire d'un orifice 242 formé dans chaque enceinte 241. Chaque enceinte 241, de forme tubulaire fermée à chaque extrémité, résistantes à la pression est avantageusement orientée verticalement selon le sens de la longueur. 25 L'hydrogène barbote ainsi dans l'eau comprise dans chaque enceinte 241 avant de ressortir, nettoyée des vapeurs d'acide, par le haut de chaque enceinte 241 du réservoir de barbotage 240 par l'intermédiaire d'orifices 243 connectés en série par le conduit 245. 13 L'hydrogène est ensuite acheminé dans trois compartiments 251 identiques formant l'enceinte de séchage 250. Chaque compartiment 251 de forme tubulaire fermée à chaque extrémité, résistants à la pression est avantageusement orienté verticalement selon le sens de la longueur. Dans chaque compartiment 251, l'hydrogène arrive dans la partie basse par un orifice 252 et ressort dans la partie haute par un orifice 253 afin d'être acheminé, en étant asséché, vers l'appareil de combustion 210 par l'intermédiaire du conduit 255. Il convient de souligner que les trois compartiments 251 sont connectés en série. Il convient également de souligner que le volume de gaz dans chaque 15 enceinte 231 du réservoir tampon 230 est égal au volume de gaz dans chaque enceinte 241 du réservoir de barbotage 240, et égal au volume de gaz dans chaque compartiment 251 de l'enceinte 250 de séchage. Avantageusement, le volume d'eau dans chaque enceinte 241 du 20 réservoir 240 de barbotage est inférieur au volume d'eau dans chaque enceinte 231 du réservoir tampon 230. Lorsque l'appareil de combustion 210 est alimenté en hydrogène, la pression de l'hydrogène est inférieure dans le réservoir tampon 230 par 25 rapport à la pression de l'hydrogène dans le réservoir de barbotage 240, qui est également inférieure à la pression de l'hydrogène dans l'enceinte de séchage 250. 5 10 Des valeurs typiques de pression de l'hydrogène, indiquées ici en valeur 30 relative par rapport à la pression moyenne, sont par exemple : 14 - dans le réservoir tampon 230 : 0,4 bar ; - dans le réservoir de barbotage 240 : 0,6 bar ; - dans l'enceinte de séchage 250 : 0,8 bar. 5 Ces différences de pression sont notamment dues à des rétrécissements de section entre les conduits de premier type, de deuxième type et de troisième type. Par exemple, le diamètre intérieur des conduits de premier type, tels que le conduit 235, est de l'ordre de 10 mm. Le diamètre intérieur des conduits de deuxième type, tels que le conduit 245, est de 10 l'ordre de 8 mm. Le diamètre intérieur des conduits de troisième type, tels que le conduit 245, est de l'ordre de 6 mm. Etant donné que le réservoir tampon 230 présente un volume de gaz correspondant au double du volume de gaz dans le réservoir de 15 barbotage 240, cette variation de volume contribue également à l'augmentation de pression entre le réservoir tampon 230 et le réservoir de barbotage 240. Une buse 256 de diamètre interne inférieure présente en sortie du tube 20 255 contribue à l'obtention de ces pressions, la pression relative au niveau de l'appareil de combustion 210 étant de l'ordre de grandeur d'un bar. Il convient de souligner que cette pression dépend de l'appareil qui est connecté à l'enceinte de séchage 250. 25 Le tube 245 comprend un clapet anti-retour 246 afin d'éviter que l'hydrogène ne soit aspirer par dépression lorsque le générateur 220 est arrêté. 15 Il convient de souligner que le niveau d'eau est suffisant dans le réservoir de barbotage 240 afin d'éviter que la dépression créée ne vide le réservoir de barbotage 240. 5 Il convient de souligner que lorsque le générateur produit de l'hydrogène avec un débit constant, il maintient la pression dans le réservoir tampon 230, le réservoir de barbotage 240 et l'enceinte de séchage 250. Une augmentation de la production d'hydrogène par le générateur 220 est 10 ainsi effectuée afin de compenser l'hydrogène consommée. Il convient de souligner que cette augmentation de production se fait automatiquement par l'équilibre des pressions entre l'hydrogène et l'eau à l'intérieur REVENDICATIONS1. Dispositif de gestion d'hydrogène pour l'alimentation en hydrogène d'un appareil, du type comportant : - des moyens de connexion à un générateur d'hydrogène par électrolyse de l'eau comportant un conteneur rempli d'eau, des électrodes susceptibles d'être reliées à une source de courant continu, les moyens de connexion comprenant au moins une entrée permettant au générateur d'alimentant ledit dispositif en hydrogène et au moins une sortie permettant audit dispositif d'alimenter le générateur en eau ; - des moyens de connexion audit appareil ; caractérisé en ce que le dispositif comprend : - un réservoir tampon comprenant de l'hydrogène généré et de l'eau alimentant le générateur ; - un réservoir de barbotage de l'hydrogène provenant du réservoir tampon, l'hydrogène circulant entre le réservoir tampon et le réservoir de barbotage par au moins un conduit de premier type. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - une enceinte de séchage de l'hydrogène provenant du réservoir de barbotage, l'hydrogène circulant entre le réservoir de barbotage par au moins un conduit de deuxième type, l'hydrogène séché permettant d'alimenter ledit appareil par un conduit de troisième type. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir tampon comprend une pluralité 17 d'enceinte, dont la longueur est orientée verticalement, et stockant chacune une partie de l'hydrogène générée et une partie de l'eau. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que le réservoir de barbotage comprend une pluralité d'enceinte, dont la longueur est orientée verticalement, et comportant de l'eau dans laquelle est injectée l'hydrogène provenant du réservoir tampon. 10 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'enceinte de séchage comprend une pluralité de compartiment. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, 15 caractérisé en ce que chaque compartiment de l'enceinte de séchage dont la longueur est orientée verticalement, comprend une entrée d'hydrogène située dans la partie basse du compartiment et une sortie d'hydrogène située dans la partie haute dudit compartiment. 20 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le troisième type de conduit comprend un diamètre intérieur inférieur au diamètre intérieur du deuxième type de conduit. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, 25 caractérisé en ce qu'un clapet anti-retour est installé sur le tube de deuxième type afin d'éviter un retour d'hydrogène de l'enceinte de séchage vers le réservoir de barbotage. 18 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le volume de gaz dans le réservoir de barbotage est égal au volume de gaz dans l'enceinte de séchage. 5 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume de gaz dans le réservoir tampon est égal au double du volume de gaz dans le réservoir de barbotage. 11. Appareil de combustion de l'hydrogène caractérisé en ce qu'il 10 comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.