Brevet FR3079172A1 — publié le 20190927

RESERVOIR DE GAZ UTILISE POUR LA PRODUCTION D'ELECTRICITE, NOTAMMENT DANS UN VEHICULE AUTOMOBILE [0001] La présente invention porte sur un réservoir de gaz utilisé pour la production d'électricité, notamment dans un véhicule automobile. [0002] On connaît des véhicules automobiles sur lesquels sont montées des piles à combustible du type à électrolyte polymère, alimentées en hydrogène. Les piles à combustible peuvent être utilisées comme source d'énergie principale destinée à propulser le véhicule au moyen d'un groupe motopropulseur de type électrique, ou comme source d'énergie auxiliaire, par exemple en appoint d'un groupe motopropulseur principal de type thermique. [0003] Le développement de ce type de véhicule est encore très limité ou au stade de l'expérimentation. L'une des raisons majeures pour lesquelles les piles à combustible tardent à être exploitées massivement, notamment sur des véhicules destinés au grand public, réside incontestablement dans les dangers inhérents au confinement et à la manipulation de l'hydrogène. [0004] Il est en effet notoire que l'hydrogène est un gaz extrêmement inflammable et détonant. On sait par exemple que la limite d'inflammabilité inférieure de l'hydrogène se situe autour de 4% d'hydrogène dans l'air ambiant, tandis que la limite de détonnabilité inférieure se situe autour de 18% d'hydrogène dans l'air ambiant. [0005] Ainsi, on comprendra qu'un véhicule automobile à pile à combustible, pourvu d'un réservoir de stockage de l'hydrogène pour l'alimentation de la pile présente des risques d'inflammation et d'explosion particulièrement importants. [0006] L'invention vise à limiter le risque de l'utilisation d'une pile à combustible en proposant un réservoir de gaz destiné à être utilisé pour la production d'électricité dans un véhicule automobile comportant: - un carter délimitant au moins deux chambres de stockage de forme sphérique, chaque chambre étant définie par un centre, un rayon interne, et un rayon externe, et - une zone de communication entre les chambres, 2 caractérisé en ce qu'un écart entre le centre des deux chambres est inférieur à la somme des rayons internes des deux chambres de manière à définir une zone d'interférence dans laquelle est ménagée la zone de communication entre les deux chambres. [0007] L'invention permet ainsi de proposer un réservoir mécaniquement rigide limitant les 5 risques de fuite et donc les risques d'explosion du gaz qu'il contient. En outre, l'invention présente un intérêt économique dans la mesure où le réservoir peut aisément être réalisé par moulage notamment ou prototypage rapide. [0008] Selon une réalisation, le réservoir comporte au moins trois chambres de stockage de forme sphérique. 10 [0009] Selon une réalisation, les centres des trois chambres de stockage sont alignés les uns par rapport aux autres. [0010] Selon une réalisation, les chambres de stockage présentent des dimensions identiques. [0011] Selon une réalisation, les chambres de stockage sont ménagées dans un même 15 carter. [0012] Selon une réalisation, le carter est réalisé dans un matériau métallique. [0013] Selon une réalisation, le carter est réalisé dans un matériau plastique, le cas échéant renforcé par des fibres. [0014] Selon une réalisation, le carter comporte des nervures de rigidification s'étendant 20 entre deux chambres adjacentes suivant une direction longitudinale du réservoir. Cette variante, est de préférence appliquée pour des réalisations en matériau métallique. [0015] Selon une réalisation, la zone de communication présente une forme tubulaire qui peut être axialement un tube rectiligne ou avoir une forme ovoïde. [0016] L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant un réservoir 25 de gaz destiné à être utilisé pour la production d'électricité tel que précédemment défini. [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 3 [0018] La figure 1 est une vue en perspective d'un véhicule automobile muni d'un ensemble de stockage d'hydrogène selon l'invention intégré sous la structure de caisse; [0019] La figure 2 est une vue en perspective éclatée d'un réservoir de stockage d'hydrogène selon la présente invention; 5 [0020] La figure 3 est une représentation schématique d'un réservoir formé par deux demi- sphères et un cylindre; [0021] Les figures 4a à 4c sont des représentations schématiques permettant l'évaluation de l'impact de la pression sur une partie cylindrique du réservoir; [0022] Les figures 5a à 5c sont des représentations schématiques permettant l'évaluation 10 de l'impact de la pression sur une partie sphérique du réservoir. [0023] Les éléments identiques similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0024] La figure 1 montre une structure de caisse 10 de véhicule automobile 11 sur laquelle sont montés un train avant 12.1 et un train arrière 12.2. Des sièges 14 pour les 15 passagers sont disposés du côté de la face supérieure de la structure de caisse 10. Un ensemble de stockage 16 comporte un ou plusieurs réservoirs 18 de gaz destinés à être utilisés pour la production d'électricité dans le véhicule automobile 11 et décrits plus en détails ci-après. L'ensemble de stockage 16 est disposé du côté inférieur de la structure de caisse 10, entre le train avant 12.1 et le train arrière 12.2 du véhicule 11. En variante, le 20 réservoir 18 pourra être disposé en partie haute du véhicule 11, notamment sur le toit. [0025] Cet ensemble de stockage 16 est destiné à alimenter une pile à combustible logée dans un compartiment du véhicule 11 par l'intermédiaire d'un conduit d'alimentation. Cet ensemble 16 assure un stockage sous forme gazeuse de l'hydrogène dans le ou les réservoirs 18. 25 [0026] Plus précisément, comme cela est représenté sur la figure 2, le réservoir 18 comporte un carter 20 délimitant au moins deux chambres de stockage 22 de forme sphérique. En l'occurrence, le carter 20 comporte cinq chambres 22. Bien entendu, le nombre de chambres 22 pourra être adapté en fonction de l'application et en particulier du volume de gaz à stocker et de l'espace disponible en sous-caisse. 4 [0027] Chaque chambre 22 est définie par un centre C, un rayon interne Rint, et un rayon externe Rext. Les centres C des différentes chambres de stockage 22 sont alignés les uns par rapport aux autres. Les chambres de stockage 22 présentent ici des dimensions identiques mais pourraient en variante présenter des dimensions différentes. 5 [0028] Un écart E entre le centre C de deux chambres 22 consécutives est inférieur à la somme des rayons internes Rint de ces deux chambres 22 de manière à définir une zone d'interférence 26 dans laquelle est ménagée une zone de communication 24 entre deux chambres 22 consécutives. Cette zone de communication 24 s'étend entre les chambres 22 pour permettre une communication entre les volumes internes des chambres 22. 10 Avantageusement, la zone de communication 24 présente une forme tubulaire qui peut être axialement un tube rectiligne ou avoir une forme ovoïde, à l'image d'un tonneau. [0029] Le carter 20 comporte des nervures de rigidification 28 s'étendant entre deux chambres 22 adjacentes suivant une direction longitudinale D du réservoir 18. [0030] Avantageusement, les chambres 22 sont ménagées dans le même carter 20. Le 15 carter 20 pourra être réalisé dans un matériau métallique, notamment en aluminium. Ce carter 20 pourra être obtenu par un procédé dit de "prototypage rapide" suivant lequel une poudre de métal en fusion est déposée par une buse pour obtenir la forme du réservoir 18 souhaitée. En variante, le carter 20 pourra être réalisé dans un matériau plastique, le cas échéant renforcé par des fibres, par exemple des fibres de carbone. Suivant un exemple de 20 réalisation, la forme plastique du carter 20 pourra être obtenue par moulage puis être entourée par des fibres de rigidification. [0031] Dans un exemple de réalisation, une chambre 22 présente un diamètre interne de l'ordre de 180 mm, un diamètre externe de l'ordre de 200 mm, et une zone de communication 24 ayant un diamètre de l'ordre de 90 mm. Par "de l'ordre de", on entend 25 une variation de plus ou moins 20% autour de la valeur cible. [0032] Le réservoir 18 illustré sur la figure 2 comporte une seule ligne de chambres sphériques 22 communiquant entre elles. En variante, le réservoir 18 pourra bien entendu comporter plusieurs lignes de chambres 22 disposées les unes à côté des autres, de manière à former des lignes et des colonnes de chambres de stockage 22. Le réservoir 18 définit alors une matrice de chambres de stockage 22. Une chambre 22 communique alors avec au moins une chambre 22 adjacente située dans la même ligne et avec au moins une chambre 22 adjacente située dans la même colonne. 5 [0033] Comme cela est représenté sur la figure 3, on peut définir un réservoir formé par un assemblage de deux demi-sphères 30 et d'un cylindre 31 en déterminant la relation pour ces deux types de géométries et les caractéristiques qui font la résistance du réservoir pour une pression donnée, par exemple de l'ordre de 700 bars soit 70 MPa. 5 [0034] On évalue ci-après l'impact de la pression sur un tube. Si on admet, comme cela est représenté sur la figure 4a, qu'un cylindre creux de longueur I présente une épaisseur e bien moins importante par rapport au rayon ri du tube, les actions sur un petit secteur de tube sont représentées sur les figures 4b et 4c. [0035] La petite surface supportant la pression s'exprime : 10 Dsp=r,-c1B-1 [0036] La surface supportant l'effort Dft s'exprimera : DsT= e - 1 [0037] Sachant que l'on peut exprimer Dft en fonction de Dfn : 15 Dfn = P - Ds p P - -cl6e.1 [0038] Aussi : Dft - c16$ = Dfn = P - Ds p P - - 1 [0039] Donc la contrainte a dans le tube s'exprimera : u Dft P - ri - 1 p. ri p di DsT 1 - e e 2.e 20 [0040] On peut noter que la contrainte maximum dans un tube est un rapport direct entre le rayon ri et son épaisseur e. ri di P - - = P 2.e [0041] On évalue ci-après l'impact de la pression sur une sphère. Si on considère une sphère creuse d'une épaisseur e bien moins importante par rapport à ses rayons interne ri 6 et externe, on peut représenter en figure 5a un petit secteur de sphère dans un quart de sphères. [0042] En représentant en figure 5b ce petit secteur de sphère, on a: ri - dwv= rx - cico, 5 sidY11B, alors r dW v r - d'Oz= rx - c1.0 [0043] Cela permet de représenter en figure 5c les actions sur le secteur de sphère: s = r - (10 - r - COS (0)- dtiJ = r2 - dB - COS (6')- do- P Dfn dsi P et avec di on a Dfn [0044] Avec la représentation ci-dessus : Dfl= Df 2 donc Dfn = 2. Dft - dt9 r2 - COS (0) - dtii - P 10 Donc Dft s'exprime = Dft 2 [0045] On sait que pour notre secteur de sphère Dsl= Ds2 avec Dsl= r - dO - r - COS (0)- deo et Ds2= r - de9 e donc il est possible d'exprimer la contrainte maximum a comme ceci : r2 - COS (0) - dO ' P Dft= 2 ri di ci = = P - = P Dsl = Ds2 r - COS (9) - dw - e 2.e 4.e 15 [0046] Bien que non surprenant, c'est la partie tubulaire, la partie fragile du réservoir 18 dont la contrainte maximum s'exprime pour rappel : ' ri cl tube 7 [0047] Dit autrement, pour une même contrainte, moins le rayon du tube sera grand, moins le réservoir 18 sera épais. Cette expression correspond aux résultats obtenus pour les 20 enveloppes minces fréquemment utilisées en chaudronnerie. alors r2 - d - COS (6) - do - P = 2. Dft - d 7 [0048] Le pré-dimensionnement du réservoir peut être le suivant: si on admet qu'un acier, ou qu'un matériau composite puisse résister à une contrainte d'extension ou de compression à plus de 1000 MPa et qu'on prenne un facteur de sécurité de trois sachant que la sécurité réside davantage dans la gestion de l'élimination spontanée 5 qui sans résistance génère non pas une explosion mais un front de flamme de longueur limitée, alors on peut évaluer une contrainte pour un tube a-tube - P . 11 et pour une sphère e ri a sphère - 1 D au maximum a tube = a sphère = maxi = 330 MPa 2.e [0049] La hauteur disponible sous le planché étant d'environ 200 mm alors : 100 - e 0-tube =330=70 pour un tube, il faut une épaisseur de 18 mm. e 100-e 10 a ir, sphère - 330- iu pour une sphère, il faut une épaisseur de 9 mm. 2.e [0050] Pour un diamètre hors tout de 200 mm, plus l'épaisseur e des parois sera faible, plus on pourra stocker de l'hydrogène. Un réservoir selon l'invention 18 composé de chambres sphériques 22 sera ainsi plus résistant qu'un réservoir cylindrique classique. En outre, le réservoir 18 permet de stocker plus d'hydrogène qu'un réservoir classique du fait 15 de la réduction d'épaisseur REVENDICATIONS1. Réservoir de gaz (18) destiné à être utilisé pour la production d'électricité dans un véhicule automobile (11) comportant: - un carter (20) délimitant au moins deux chambres de stockage (22) de forme sphérique, chaque chambre (22) étant définie par un centre (C), un rayon interne (Rint), et un rayon externe (Rext), et - une zone de communication (24) entre les chambres (22), caractérisé en ce qu'un écart (E) entre le centre (C) des deux chambres (22) est inférieur à la somme des rayons internes (Rint) des deux chambres (22) de manière à définir une zone d'interférence (26) dans laquelle est ménagée la zone de communication (24) entre les deux chambres (22). 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins DEUX chambres de stockage (22) de forme sphérique. 3. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que les centres (C) des trois chambres de stockage (22) sont alignés les uns par rapport aux autres. 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les chambres de stockage (22) présentent des dimensions identiques. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les chambres de stockage (22) sont ménagées dans un même carter (20). 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le carter (20) est réalisé dans un matériau métallique. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le carter (20) est réalisé dans un matériau plastique, le cas échéant renforcé par des fibres. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le carter (20) comporte des nervures de rigidification (28) s'étendant entre deux chambres (22) adjacentes suivant une direction (D) longitudinale du réservoir (18). 9 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la zone de communication (24) présente une forme tubulaire qui peut être axialement un tube rectiligne ou avoir une forme ovoïde. 10. Véhicule automobile (11) caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir de gaz (18) 5 destiné à être utilisé pour la production d'électricité tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.