Brevet FR3136260A1 — publié le 20231208

La présente invention concerne un générateur cryogénique pour l’alimentation en hydrogène gazeux pressurisé d’un moteur ou d’une pile à combustible. Elle permet d’utiliser ou de récupérer une partie de l’énergie nécessaire à sa liquéfaction. Le dispositif comprend une machine volumétrique capable de comprimer simultanément de l’hydrogène gazeux et de l’hydrogène liquide en utilisant le pourvoir de surcompression de l’évaporation de ce dernier. Lorsque ce pouvoir de surcompression est important et qu’il dépasse le niveau de pression demandé par le système d’injection dans le moteur ou dans la pile à combustible, il convient de détendre le fluide hydrogène gazeux jusqu’à obtenir le niveau de pression demandé. Cette détente fournit une puissance mécanique qui minimise la puissance nécessaire à la compression de l’ensemble, voire suivant les réglages et la quantité d’hydrogène liquide, qui peut la dépasser et fournir de l’énergie à l’extérieur. Le dispositif peut également disposer d’un système d’admission d’une petite quantité d’air pré comprimé pour réaliser un prémélange hydrogène/air voire d’initier une précombustion à faible température pour minimiser la création de NOx lors de la combustion final dans le moteur. Figure pour l’abrégé : [Fig 2] Générateur cryogénique d’hydrogène gazeux pressurisé - surpresseur cryogénique Schulz Dans le cadre de l’utilisation de carburants cryogéniques tels que l’hydrogène pour alimenter des moteurs ou des pilles à combustible, une des difficultés consiste à préparer le fluide en lui donnant les conditions de pression et de température nécessaire à l’injection et à la combustion dans le moteur ou dans la pile à combustible. Les injections multiphases (liquide et gazeux dans la même canalisation) sont souvent complexes à mettre en œuvre et à gérer, particulièrement lorsque les débits, les pressions et les températures peuvent avoir de grandes amplitudes. L’évaporation d’une partie de l’hydrogène liquide dans un système isolé comme le ou les réservoirs provoque un refroidissement du liquide, proportionnel à l’enthalpie du changement de phase comme déjà expliqué dans les demandes de brevets FR2011805 « Réservoir de stockage de carburant, munie d’un système de protection et de maintien en température et pression » et FR2204384 « Dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour aéronef ». De surcroît, il est plus simple d’alimenter les moteurs, turbomoteurs, turbopropulseurs, turboréacteurs et même les piles à combustible avec de l’hydrogène gazeux, que de l’hydrogène liquide, qui devra de toute façon se vaporiser durant la combustion. D’autre part, l’énergie nécessaire à recondenser le gaz en liquide et très supérieure à celle nécessaire à sa compression en vue de son transfert et de son injection. Donc il existe un réel intérêt à proposer de l’hydrogène directement sous forme gazeuse aux différents moteurs, y compris dans les canalisations d’alimentation de carburant autour des parties chaudes desdits moteurs. Cependant trois problèmes persistent à la distribution totalement gazeuse de l’hydrogène liquide : Même sous pression, le diamètre des canalisations est important. L’évaporation dans le réservoir, de la totalité de la consommation d’hydrogène liquide se traduit dans les phases de forte consommation par une puissance de refroidissement très élevée qui peut conduire à un surrefroidissement de l’hydrogène liquide allant jusqu’au risque de solidification. La dilatation de l’hydrogène entre sa phase liquide et sa phase gazeuse pour la température de liquéfaction représente un facteur important qui n’est pas utilisé dans les systèmes classiques. Enfin, lors de la combustion de l’hydrogène dans l’air peuvent apparaître les NOx qui sont des polluants. La quantité de NOx produite par une combustion est proportionnelle à la température de la combustion et à la durée à haute température, c’est pourquoi il serait intéressant, voire nécessaire, de procéder à une phase de prémélange entre l’hydrogène et l’air. La présente invention consiste donc à résoudre de manière indépendante où dans leur ensemble les problèmes énoncés ci-dessous en créant une machine volumétrique capable de comprimer simultanément de l’hydrogène gazeux et de l’hydrogène liquide en utilisant le pourvoir de surcompression de l’évaporation de ce dernier. Lorsque ce pouvoir de surcompression est important et qu’il dépasse le niveau de pression demandé par le système d’injection dans le moteur ou dans la pile à combustible, il convient de détendre le fluide hydrogène gazeux jusqu’à obtenir le niveau de pression demandé. Cette détente fournit une puissance mécanique qui minimise la puissance nécessaire à la compression de l’ensemble, voire suivant les réglages et la quantité d’hydrogène liquide, qui peut la dépasser et fournir de l’énergie à l’extérieur. La machine volumétrique est donc couplée à un système de type « alterno-démareur » qui permet de fournir la puissance mécanique nécessaire à la compression de l’hydrogène pour certaines phases et de redonner de l’énergie électrique et/ou mécanique dans les phases dites « motrices ». Cet élément sera appelé « moto-alternateur ». La présente invention peut également disposer d’un système d’admission d’une petite quantité d’air précomprimé pour réaliser un prémélange hydrogène/air voire d’initier une précombustion à faible température pour minimiser la création de NOx lors de la combustion dans le moteur. Par moteur, il faut entendre ici les moteurs alternatifs, les moteurs rotatifs, les turbomoteurs, les turbopropulseurs, les turboréacteurs et même les piles à combustible associées à des moteurs électriques. L’hydrogène liquide est souvent critiqué à cause de l’énergie nécessaire à le liquéfier, la présente invention permet donc d’utiliser ou de récupérer une partie de cette énergie. Le dispositif dans son ensemble sera nommé « générateur cryogénique d’hydrogène gazeux pressurisé » ou « surpresseur cryogénique Schulz ». La présente schématiquement le cycle d’une machine volumétrique avec un ensemble piston (1) - bielle (2) - vilebrequin (3), un cylindre (4), une soupape d’admission de l’hydrogène gazeux (5), une soupape d’échappement (6) et un système d’injection d’hydrogène liquide (7). La partie haute du cylindre au-dessus du piston au PMH (point mort haut) est appelée la chambre. La partie gauche de la représente le diagramme Pression-Volume du cycle « deux temps » (un aller-retour du piston (1) par cycle) et se décompose comme suit : (8) Début du cycle au PMB (point mort bas), le cylindre est rempli d’hydrogène gazeux en provenance du réservoir d’hydrogène, les soupapes d’admission (5) et d’échappement (6) sont fermées et le piston remonte vers le PMH (point mort haut) en comprimant l’hydrogène gazeux GH2. (9) Injection d’une certaine quantité d’hydrogène liquide LH2 au travers du système d’injection (7). L’hydrogène liquide s’évapore au contact de l’hydrogène gazeux échauffé par la compression. En s’évaporant l’hydrogène liquide refroidi, la charge d’hydrogène comprimé et par expansion la « surcomprime » jusqu’au point de pression maximum (10). La forte pression pousse le piston vers le PMB en créant une force motrice en même temps que la pression diminue. (11) La pression dans le cylindre diminue jusqu’à atteindre la pression souhaitée (nécessaire à l’injection dans le moteur ou la pile à combustible). La soupape d’échappement s’ouvre pour transférer l’hydrogène comprimé en direction du moteur par la soupape d’échappement (6). (12) On ferme la soupape d’échappement (6) et on ouvre la soupape d’admission (5) par lequel on re-remplit le cylindre avec de l’hydrogène gazeux en provenance du réservoir d’hydrogène, jusqu’au point PMB (8) et le cycle recommencent. Pour « booster » la pression maximale (10) et/ou la puissance « motrice », il est possible d’ajouter dans la chambre un apport d’énergie sous forme d’un réchauffeur, par exemple une résistance électrique ou par un chauffage à induction à haute fréquence. Dans le cas où la pression nécessaire à alimenter le moteur est faible, ce qui est notamment le cas des piles à combustible, la part de détente entre le point (10) et le point (11) est importante ce qui signifie une forte puissance « motrice », mais a contrario une faible phase d’admission. Dans ce cas, il peut être judicieux de transformer le cycle en un cycle de type « quatre temps » (2 allers-retours du piston par cycle), pour rétablir une bonne phase d’aspiration et un bon remplissage. La phase dite « d’échappement », servant de phase de recompression et d’échappement pour alimenter en hydrogène gazeux sous pression le ou les moteurs et/ou piles à combustible. De même pour simplifier, les figures présentées représentent un système à un seul cylindre, mais la machine volumétrique peut également contenir plusieurs cylindres en ligne ou à plat ou en V ou en opposition ou bien encore en étoile. De même pour stabiliser la vitesse de rotation de la machine volumétrique, on peut lui associer un volant d’inertie. La machine volumétrique peut également être du type rotatif, par exemple Wankel. La représente une machine volumétrique de type « deux temps » avec un ensemble piston (1) - bielle (2) - vilebrequin (3), un cylindre (4), un système d’injection (7) d’hydrogène liquide LH2, une pompe à palettes (13) destinée à alimenter le compresseur volumétrique par l’intermédiaire d’une lumière d’admission (14) puis via le canal de transfert (15). Cette machine prévoit la possibilité d’effectuer un prémélange hydrogène-air, riche en hydrogène et pauvres en air, par une admission d’une petite quantité d’air sous pression à la sortie du canal de transfert (15) par l’ouverture de la soupape (16). Le mélange hydrogène air est ensuite introduit dans le cylindre par l’intermédiaire du déflecteur (22) puis comprimé par la montée du piston (1) jusqu’au PMH. Une quantité d’hydrogène liquide préalablement pressurisé par une pompe haute pression est injectée par le système d’injection (7). En se vaporisant, l’hydrogène liquide refroidit l’ensemble du prémélange et par son expansion augmente la pression dans la chambre. Le prémélange est enflammé en activant le système d’allumage (17) ce qui augmente encore la pression dans la chambre. Comme le régime de combustion est riche en hydrogène et pauvre en air, la combustion de l’hydrogène est incomplète et la température de combustion faible, ce qui conduit à diminuer les NOx. Sous l’effet de la forte pression, le piston est chassé vers le PMB en fournissant de l’énergie au système. Lorsque le capteur de pression (18) mesure la pression demandée pour l’alimentation du moteur à hydrogène ou de la pile à hydrogène, il commande l’ouverture de la soupape d’échappement (6) ce qui permet le transfert du mélange hydrogène-air et eau de combustion en direction du moteur à alimenter et fait rapidement baisser la pression dans le cylindre (4). Le piston (6) en descendant ferme la lumière d’admission (14) et chasse l’air dans le canal de transfert (15). Le boîtier électronique de la machine pilote l’ensemble des paramètres, la vitesse de rotation via le « moto-alternateur », un capteur de vitesse (19), la commande de la pompe de suralimentation à palettes (13), la commande d’ouverture de la soupape (16) d’admission d’air, la pompe HP d’hydrogène liquide, la commande de l’injecteur (7), la commande d’allumage (17), l’indicateur de niveau de pression (18) dans la chambre et la commande d’ouverture de la soupape d’échappement (6). Le cycle et la vitesse de rotation permettent de définir la pression et le débit d’hydrogène gazeux à destination du moteur ou de la pile à combustible. Le boîtier électronique est lui-même piloté par un FADHyCC (suivant FR2102182 et FR2202841 « Dispositif à pleine autorité de contrôle, de gestion et de pilotage pour installation de stockage embarqué de carburant ou de fluide cryogénique ») et/ou un FADEC (système de gestion et de pilotage du moteur). La machine possède un circuit interne de refroidissement ou de réchauffage via un réseau de canalisation (20). Par exemple, ce circuit interne de refroidissement ou de réchauffement pourrait être parcouru par de l’air prélevé des étages haute pression du compresseur d’un turboréacteur et réinjecté comme fluide de refroidissement dans les ailettes des étages haute pression de la turbine du turboréacteur. Enfin, l’installation pourra être totalement calorifugée ainsi que les canalisations d’entrées et de sortie de la machine. La configuration de la (« deux temps » avec canal de transfert) est particulièrement intéressante, car elle permet d’avoir de l’hydrogène gazeux au-dessus et en dessous du piston et donc de résoudre les problèmes d’étanchéité de la segmentation. Le boîtier électronique peut aussi être remplacé par un système de distribution mécanique. La pompe à palettes (13) est une solution particulièrement intéressante, car en plus de pressuriser l’hydrogène gazeux à l’entrée dans la machine, elle possède une forte capacité d’aspiration en créant à son amont une dépression bénéfique pour l’évaporation de l’hydrogène liquide dans le réservoir cryogénique (cf. la demande de brevet FR2204384). Mais cette pompe à palettes (13) peut être remplacée soit par un autre compresseur, soit par la pressurisation du réservoir de provenance. De même, pour améliorer le fonctionnement du dispositif, il peut être intéressant d’ajouter un ou des échangeurs thermiques sur la canalisation d’admission et/ou sur la canalisation d’échappement. Par ailleurs, l’introduction d’air pour créer le prémélange pourra être réalisé soit dans le canal d’admission, soit dans le canal de transfert comme le montre la , soit directement dans la chambre de compression du compresseur. Avant d’être introduit dans la machine, cet air pourra être refroidi par un ou plusieurs échangeurs thermiques sur le canal d’échappement et/ou sur le canal d’admission et/ou via le circuit interne du corps statique du compresseur, voire liquéfié si les conditions thermodynamiques le permettent. Dans ce cas il sera injecté liquide par un injecteur et contribuera par sa vaporisation et son expansion à augmenter encore la pression maximale du cycle. Pour une meilleure combustion de prémélange hydrogène-air et pour permettre une forte richesse en hydrogène du mélange en général, il est possible d’ajouter à la chambre de combustion, une chambre de prémélange turbulente, par exemple de type « RICARDO » ou « LANOVA ». Dans ce cas, le système d’admission d’air, par une soupape si l’air est gazeux ou par un injecteur si l’air est liquide ainsi que le système d’allumage seront situé dans ou à proximité de la chambre de prémélange pour augmenter localement la richesse en air et améliorer les conditions d’inflammabilité. À la lecture du descriptif ci-avant, il est évident que le présent dispositif « Générateur cryogénique d’hydrogène gazeux pressurisé - surpresseur cryogénique Schulz », pourra utiliser un autre fluide que l’hydrogène, comme par exemple du GNL, du GPL ou autres, et/ou l’air remplacé par de l’oxygène. De même l’utilisation du présent dispositif pourrait être étendue aux installations de chauffage et/ou de réfrigération. Enfin, le dispositif pourrait également être utilisé dans le cadre de la distribution de carburant et plus généralement de fluides cryogéniques, par exemple pour la distribution d’hydrogène gazeux à partir d’un stockage d’hydrogène liquide. Le dispositif de « Générateur cryogénique d’hydrogène gazeux pressurisé - surpresseur cryogénique Schulz » dans son ensemble pourra être utilisé en particulier pour alimenter les motorisations (les moteurs alternatifs, les moteurs rotatifs, les turbomoteurs, les turbopropulseurs, les turboréacteurs ou autres) et/ou les piles à combustible dans le cadre de la propulsion ou des groupes auxiliaires d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins. Dispositif de compression et de distribution d’hydrogène pour alimenter un ou des moteurs et/ou une ou des piles à combustible, comprenant : au moins un compresseur volumétrique, lequel possède au moins une lumière ou/et soupape d’admission et au moins une lumière ou/et soupape d’échappement ; associé à au moins une pompe et un système d’injection d’hydrogène liquide ; caractérisé par le fait que le cycle principal du compresseur est réalisé avec de l’hydrogène gazeux et que de l’hydrogène liquide est injecté durant la phase de compression, lequel en s’évaporant contribue à l’augmentation de la pression. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le compresseur volumétrique est composé d’un ou de plusieurs ensembles piston-bielle-vilebrequin susceptibles de réaliser un cycle « deux temps » ou « quatre temps ». Dispositif suivant l’une ou les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu’il existe un système de réchauffage dans la chambre pour « booster » la pression maximale du cycle et/ou l’énergie fournit à l’extérieur par le dispositif. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu’il existe un moyen de suralimentation de l’hydrogène gazeux à l’entrée du compresseur, soit par un autre compresseur, soit par la pressurisation du réservoir de provenance. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu’il existe un mécanisme de pilotage du moment, de la durée et de la quantité d’hydrogène liquide injecté. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu’il existe un mécanisme de pilotage du moment de l’ouverture, du moment de la fermeture et du profil de la levée des soupapes d’admission et/ou d’échappement. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu’il existe à l’intérieur du compresseur un capteur de pression capable de surveiller et/ de piloter le cycle de compression et/ou moteur. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu’il existe un ou des échangeurs thermiques sur la canalisation d’admission et/ou sur la canalisation d’échappement. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le corps statique du compresseur, composé d’un ou de plusieurs éléments, possède un circuit interne de refroidissement ou de réchauffage, susceptible d’échanger soit de manière directe soit par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur de la chaleur avec une source externe (hydrogène, hélium, air, eau, huile, ou autres). Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications de 1 à 9, caractérisé par le fait qu’il est introduit un mécanisme d’introduction d’air soit dans le canal d’admission, soit directement dans la chambre de compression du compresseur soit dans une chambre de prémélange turbulente, permettant de réaliser un prémélange air et hydrogène. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu’il comprend un ou plusieurs échangeurs thermiques sur le canal d’échappement et/ou sur le canal d’admission et/ou via le circuit interne du corps statique du compresseur, susceptible de refroidir, voire de liquéfier l’air avant son injection dans la chambre de compression. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications de 9 et 11, caractérisé par le fait qu’il existe dans la chambre de compression du compresseur, un mécanisme d’allumage susceptible d’enflammer le prémélange air et hydrogène. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications de 1 à 12, caractérisé par le fait que l’admission du compresseur est composée d’une lumière d’admission en partie basse du compresseur puis d’un canal de transfert, l’échappement se réalisant au travers d’une soupape d’échappement. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications de 1 à 13, caractérisé par le fait que ledit dispositif est géré et piloté par des systèmes de gestion et de régulation incluant le ou les moteurs et/ou le ou les piles à combustible et/ou le ou les dispositifs de stockage et de distribution de l’hydrogène. Dispositif suivant l’une ou plusieurs des revendications de 1 à 14, caractérisé par le fait que le dispositif utilise un autre fluide que l’hydrogène. Utilisation d’un dispositif selon l’une ou plusieurs des revendications de 1 à 15, pour alimenter soit les motorisations et/ou les piles à combustible dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins, soit dans le cadre des installations de chauffage et/ou de réfrigération, soit dans le cadre de la distribution de fluides cryogéniques.