Brevet FR3152565A1 — publié le 20250307

Selon un premier aspect, la présente divulgation concerne un dispositif (1) de stockage d’hydrogène liquide, comprenant un réservoir d’hydrogène liquide et un système de refroidissement, le réservoir (9) comprenant : une cavité (11) délimitée par une paroi interne (2), la cavité (11) étant configurée pour recevoir de l’hydrogène liquide à une température (T H ) inférieure à une température ambiante (T A ) de l’air autour du réservoir (9), une première paroi (5) disposée autour de la paroi interne (2) et délimitant un espace vide (8) entre la paroi interne et la première paroi (5), le système de refroidissement comprenant au moins une canalisation (13) située hors de la cavité (11) et en contact avec la paroi interne (2), la canalisation (13) étant configurée pour faire circuler de l’azote liquide à une température de paroi interne (T PI ) supérieure ou égale à la température de l’hydrogène liquide (T H ) et inférieure à la température ambiante (T A ), la température de paroi interne (T PI ) étant préférentiellement supérieure à la température de l’hydrogène liquide (T H ) de moins de 60 Kelvin. Figure d’abrégé : Fig. 1 Dispositif de stockage d’hydrogène liquide DOMAINE DE L’INVENTION L'invention concerne le stockage et le transport d’hydrogène liquide dans des réservoirs, et plus particulièrement la gestion des flux thermiques entre l’hydrogène liquide et l’air ambiant situé autour du réservoir. ETAT DE LA TECHNIQUE L’hydrogène se trouve naturellement dans sa forme diatomique (H2), sous forme liquide ou gazeuse. Dans tout ce qui suit, on utilisera les termes « hydrogène liquide » et « hydrogène gazeux » pour désigner le dihydrogène dans sa forme liquide et gazeuse respectivement. Afin de pouvoir stocker ou transporter une masse importante d’hydrogène dans un volume limité, plusieurs solutions sont connues de l’état de la technique. Premièrement, il est possible de stocker l’hydrogène dans sa forme gazeuse sous haute pression, de façon à augmenter sa masse volumique, et à permettre de stocker une masse donnée d’hydrogène dans un réservoir de volume limité. Cependant, la compression de l’hydrogène consomme beaucoup d’énergie, et son stockage sous forme pressurisée présente des risques de fuites, de détonation ou de déflagration, si bien que des matériaux particulièrement robustes pour former les réservoirs et un contrôle strict sont nécessaires. De plus, la compression présente des contraintes d’utilisation, notamment pour de grosses quantités d’hydrogène (remplissage long et complexe pour des réservoirs de capacité supérieures à 100 kg par exemple) Il est également connu de stocker ou transporter l’hydrogène sous forme liquéfiée. En effet, la masse volumique de l’hydrogène gazeux étant d’environ 0.09 g/L, alors que celle de l’hydrogène liquide est de 71 g/L à pression atmosphérique, on réduit ainsi de près de 800 fois le volume nécessaire au stockage d’une masse d’hydrogène équivalente sous sa forme gazeuse. Le gain de volume est significativement supérieur à celui obtenu par simple pressurisation d’hydrogène gazeux : à 700 bars, la masse volumique de l’hydrogène gazeux n’est que de 40 g/L environ. En outre, le stockage de l’hydrogène sous forme liquide permet de résoudre certains des problèmes abordés précédemment : l’hydrogène liquide peut être stocké à la pression ambiante, réduisant les risques associés à la pression élevée de l’hydrogène gazeux pressurisé. Le stockage et le transport de l’hydrogène sous forme liquide présentent cependant leurs propres inconvénients. En effet, le point de condensation de l’hydrogène est d’environ 20 Kelvin (équivalent à environ -253°C) pour une pression de 1 bar (pression atmosphérique). Lors du remplissage d’un réservoir avec de l’hydrogène liquide, il existe donc une différence importante entre la température du réservoir avant remplissage, proche de la température ambiante, et la température très inférieure de l’hydrogène liquide. Lorsque l’hydrogène liquide à -253 °C est versé dans le réservoir, cette différence de température créé un flux thermique entre l’hydrogène et la paroi interne du réservoir qui vaporise une partie de l’hydrogène liquide. Selon la structure du réservoir, la quantité d’hydrogène ainsi perdue peut être importante, pouvant aller typiquement jusqu’à entre un tiers et la moitié du volume d’hydrogène stocké, voire plus lorsque le réservoir utilisé est particulièrement épais. Une solution connue de l’état de l’art consiste à effectuer une première mise en froid du réservoir préalablement à son remplissage avec de l’hydrogène liquide : on remplit le réservoir avec de l’azote liquide de sorte à le refroidir à une température intermédiaire (autour de - 200°C) entre celle de l’hydrogène liquide et la température ambiante. Lors du remplissage en hydrogène liquide, la paroi du réservoir est alors à une température proche de - 200°C et n’est plus à la température ambiante. Le flux thermique entre la paroi interne du réservoir à - 200 °C et l’hydrogène liquide à - 250 °C est alors faible, entrainant des pertes d’hydrogène par évaporation également faibles. Cependant, la présence d’azote liquide résiduel dans le réservoir peut causer la formation de cristaux solides d’azote qui contaminent l’hydrogène. Avant de remplir en hydrogène liquide et à la suite de la première mise en froide en azote liquide, il est donc nécessaire de purger l’azote utilisé pour la mise en froid en utilisant des quantités importantes d’hélium ou d’hydrogène gazeux, ce qui représente en soi un coût non négligeable. La nécessité d’effectuer une purge tempère donc l’avantage procuré par la réduction du flux thermique entre la paroi interne et l’hydrogène liquide. Un objectif de la présente demande est de permettre le remplissage d’un réservoir d’hydrogène liquide en limitant l’évaporation de l’hydrogène due à la différence de température entre celui-ci et la paroi interne du réservoir pendant la phase de mise en froid Un autre objectif de la présente demande est de s’affranchir de la nécessité de purger un gaz utilisé pour mettre en froid le réservoir préalablement à son remplissage. À cet effet, la présente divulgation concerne selon un premier aspect un dispositif de stockage d’hydrogène liquide, comprenant un réservoir d’hydrogène liquide et un système de refroidissement, le réservoir comprenant : une cavité délimitée par une paroi interne, la cavité étant configurée pour recevoir de l’hydrogène liquide à une température inférieure à une température ambiante de l’air autour du réservoir, une première paroi disposée autour de la paroi interne et délimitant un espace vide entre la paroi interne et la première paroi, le système de refroidissement comprenant au moins une canalisation située hors de la cavité et en contact avec la paroi interne, la canalisation étant configurée pour faire circuler de l’azote liquide à une température de paroi interne supérieure ou égale à la température de l’hydrogène liquide et inférieure à la température ambiante, la température de paroi interne étant préférentiellement supérieure à la température de l’hydrogène liquide de moins de 60 Kelvin. Selon un mode de réalisation, le dispositif de stockage d’hydrogène comprend en outre au moins une deuxième canalisation en contact avec la première paroi et configurée pour faire circuler de l’azote liquide à une température intermédiaire entre la température ambiante et la température de l’hydrogène liquide. Selon un mode de réalisation, le système de refroidissement comprend plusieurs canalisations, chaque canalisation étant soit reliée à un réservoir d’azote liquide respectif, soit reliée à un unique réservoir d’azote commun à toutes les canalisations, les canalisations étant en contact avec des parties différentes de la paroi interne. Selon un mode de réalisation, le dispositif de stockage d’hydrogène comprend plusieurs réservoirs d’hydrogène liquide, le dispositif de stockage d’hydrogène comprenant en outre un système de refroidissement distinct pour chaque réservoir d’hydrogène liquide, un même réservoir d’azote liquide étant relié à chacun des systèmes de refroidissement par une canalisation distincte. Un deuxième aspect de la présente divulgation concerne un procédé de remplissage d’un réservoir d’hydrogène liquide, le réservoir comprenant : une cavité délimitée par une paroi interne, la cavité étant configurée pour recevoir de l’hydrogène liquide à une température inférieure à une température ambiante de l’air autour du réservoir, une première paroi disposée autour de la paroi interne et délimitant un espace vide entre la paroi interne et la première paroi, le procédé comprenant une étape de mise en circulation d’azote liquide dans au moins une canalisation située en dehors de la cavité et en contact avec la paroi interne, l’étape de mise en circulation débutant avant une étape de remplissage du réservoir avec de l’hydrogène liquide, l’azote liquide présentant une température de paroi interne supérieure ou égale à la température de l’hydrogène liquide et inférieure à la température ambiante. Selon une mise en œuvre du procédé, la canalisation est reliée à un réservoir d’azote liquide durant l’étape de mise en circulation, le réservoir d’azote liquide étant déconnecté de la canalisation après achèvement de l’étape de mise en circulation. Selon une mise en œuvre du procédé, la température de l’hydrogène et/ou la température de paroi interne est sensiblement égale à 20 Kelvin après achèvement de l’étape de remplissage Selon une mise en œuvre du procédé, la température de l’hydrogène liquide est sensiblement égale à 20 Kelvin, la température de paroi interne étant sensiblement égale à 77 Kelvin. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La FIG. 1 illustre schématiquement un dispositif de stockage d’hydrogène liquide selon un premier aspect de l’invention, La FIG. 2 illustre schématiquement un dispositif de stockage d’hydrogène liquide selon un deuxième aspect de l’invention. Sur toutes les figures, des signes de référence identiques désignent les mêmes éléments. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L’INVENTION La FIG. 1 représente, selon un premier aspect de l’invention, un dispositif de stockage d’hydrogène liquide 1. Il comprend un réservoir 9 muni d’une cavité interne 11, configurée pour accueillir un volume d’hydrogène liquide à une température T H inférieure à la température ambiante de l’air T A entourant le réservoir 9, au moins dans une partie de la cavité 11. L’hydrogène contenu dans la cavité 11 peut être diphasique, c’est-à-dire contenir une phase d’hydrogène liquide et une phase d’hydrogène gazeux, l’hydrogène gazeux étant notamment issu de l’évaporation de l’hydrogène liquide contenu dans la cavité 11. La cavité interne 11 est délimitée par une paroi interne 2. Afin d’éviter que la paroi interne 2 ne soit soumise à un important gradient de température entre, d’une part, la température de l’air ambiant extérieur T A et la température T H de l’hydrogène dans la cavité interne 11, une première paroi 5 entoure la paroi interne 2 de sorte qu’un espace vide 8 existe entre la paroi interne 2 et la première paroi 5. Cet espace vide 8 permet de créer une zone tampon entre la cavité interne 11 et l’air ambiant, cette zone tampon présentant une température entre la température de l’hydrogène liquide T H et la température ambiante T A , et assurant une isolation thermique entre l’hydrogène liquide et l’air entourant la première paroi 5. Il est possible de prévoir une isolation multicouche (en anglais « multi-layer insulation ») comprenant une pluralité de couches de fines feuilles, dans l’espace vide 8, de manière à limiter le transfert thermique par rayonnement entre la paroi interne 2 et la première paroi 5. Alternativement, l’espace vide 8 peut être rempli de billes de perlite, qui permettent également d’assurer une isolation thermique radiative entre la paroi interne 2 et la première paroi 5. Le dispositif de stockage 1 comprend en outre un système de refroidissement. Le système de refroidissement comprend au moins une canalisation 13, qui est en contact avec la paroi interne 2, à l’extérieur de la cavité interne 11. La canalisation 13 est configurée pour permettre la circulation d’azote liquide à une température de paroi interne T PI , de sorte à imposer une température voulue à la paroi interne 2. Cette température de paroi interne T PI est intermédiaire entre la température de l’hydrogène liquide T H et inférieure à la température ambiante T A . L’azote liquide est injecté dans la canalisation 13 avant le remplissage du réservoir 9 en hydrogène liquide de façon à procéder à une première mise en froid. La canalisation 13 peut présenter plusieurs géométries différentes selon les utilisations. La canalisation 13 peut présenter toute géométrie apte à faire passer de l’azote liquide et à venir en contact avec la paroi interne 2. Il peut s’agit d’un conduit enroulé autour de la paroi interne 2, tel que représenté sur la FIG. 1 . Alternativement, il peut s’agir d’une structure en nid d’abeille, et/ou d’une structure de type plaque gaufrée. Ainsi, lors d’un remplissage du réservoir 9 avec de l’hydrogène liquide, le système de refroidissement permet de diminuer la température de la paroi interne, notamment de - 200°C environ, et donc de minimiser la différence de température entre la paroi interne 2 et celle de l’hydrogène liquide, notamment de 60°C environ, réduisant la proportion de l’hydrogène qui s’évapore lors du remplissage. Aucune molécule étrangère n’est introduite dans la cavité interne 11, il n’y a donc pas de risque de contamination de l’hydrogène liquide par des résidus d’une telle molécule. Il s’ensuit qu’aucune purge de la cavité interne 11 n’est nécessaire après achèvement du remplissage. De préférence, la température de paroi interne T PI est sensiblement égale à la température de l’hydrogène liquide, de sorte à minimiser autant que possible le flux thermique entre la paroi interne 2 et l’hydrogène liquide. Selon un mode de réalisation, représenté à la FIG. 2 , le dispositif de stockage 1 comprend une deuxième canalisation 4 indépendante de la canalisation 13. La deuxième canalisation 4 est en contact avec la première paroi 5 et configurée pour permettre la circulation d’azote liquide à une température intermédiaire T I entre la température ambiante T A et la température T H de l’hydrogène liquide. Lorsqu’on souhaite transporter le dispositif de stockage 1 dans un véhicule, cette canalisation permet de maintenir la température intermédiaire T I à une valeur souhaitée. Conformément à la loi de Stefan-Boltzmann, le transfert thermique radiatif entre un objet de température absolue T et son environnement de température absolue T E est proportionnel à la différence entre les quatrièmes puissances de ces températures (T 4 – T E 4 ). Ainsi, grâce à la deuxième canalisation 13, le transfert thermique radiatif entre l’hydrogène et la première paroi 5 est proportionnel à la valeur (T I 4 – T H 4 ), alors qu’en l’absence du système de refroidissement, il est proportionnel à la valeur (T A 4 – T H 4 ) qui peut être considérablement plus élevée. On évite ainsi l’évaporation d’hydrogène liquide dans la cavité interne 11 pendant son transport, ce qui nécessite de procéder à des dégazages pour faire baisser la pression de l’hydrogène dans la cavité interne 11 – ces dégazages engendrant une perte massique d’hydrogène au cours du transport. La première paroi 5 peut être la paroi externe 12, ou être une paroi intermédiaire s’étendant entre la paroi interne 2 et la paroi externe 12, tel que représenté sur la FIG. 2 . Dans ce deuxième cas, un vide existe de chaque côté de la première paroi 5. La deuxième canalisation 13 peut être reliée fluidiquement à un réservoir 10 d’azote liquide. Alternativement, le système de refroidissement peut comprendre plusieurs canalisations 13 distinctes, chaque canalisation 13 étant reliée fluidiquement à un réservoir 10 d’azote liquide distinct. Dans ce cas, les canalisations 13 peuvent être en contact avec des parties différentes de la paroi interne 2. Alternativement, le système de refroidissement peut comprendre plusieurs canalisations 13 distinctes, chaque canalisation 13 étant reliée fluidiquement à un unique réservoir 10 d’azote liquide commun à toutes les canalisations 13. Le réservoir 10 d’azote liquide peut être amovible. En effet, une fois le remplissage du réservoir 9 effectué, il n’est pas nécessaire que celui-ci reste connecté au réservoir 10. Selon un mode de réalisation, le dispositif de stockage d’hydrogène comprend plusieurs réservoirs 9 tels que décrits précédemment, chaque réservoir 9 étant associé à un système de refroidissement, les différents systèmes de refroidissement étant reliés à un même réservoir d’azote liquide 10, chacun via une canalisation 13 distincte. Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de remplissage d’un réservoir d’hydrogène liquide. Le réservoir comprend une cavité interne 11 délimitée par une paroi interne 2 et pouvant recevoir de l’hydrogène à une température T H inférieure à la température ambiante T A de l’air autour du réservoir 9. Le réservoir comprend en outre une première paroi 5 disposée autour de la paroi interne, un espace vide 8 s’étendant entre la paroi interne 2 et la première paroi 5. Le procédé comprend une étape de mise en circulation d’azote liquide à une température de paroi interne T PI dans une canalisation 13 – éventuellement plusieurs canalisations 13 – située en dehors de la cavité interne 11 et en contact avec la paroi interne 2. Cette mise en circulation débute avant le remplissage du réservoir 9, de sorte à permettre à la paroi interne 2 d’atteindre une température voulue, significativement inférieure à la température ambiante T A et préférentiellement le plus proche possible de la température de l’hydrogène liquide T H . Selon une mise en œuvre du procédé, la canalisation 13 est reliée à un réservoir 10 d’azote liquide pendant la mise en circulation, ce réservoir 10 étant amovible. En d’autres termes, le réservoir 10 peut être déconnecté de la canalisation 13 après achèvement de la mise en circulation. Selon une mise en œuvre du procédé, la température T H de l’hydrogène est de sensiblement 20 Kelvin (ou -253 °C). Cette température, proche du point d’ébullition de l’hydrogène, permet de conserver l’hydrogène à l’état liquide tout en minimisant les transferts thermiques entre celui-ci et l’air ambiant. Selon une mise en œuvre du procédé, la température de paroi interne T PI est de sensiblement 20 Kelvin lorsque le réservoir est rempli d’hydrogène liquide, c’est-à-dire après achèvement de l’étape de remplissage. Selon une mise en œuvre du procédé, la température de paroi interne T PI est sensiblement égale à 77 Kelvin, ou -196°C. Cette température permet de minimiser la différence de température entre la paroi interne et l’hydrogène liquide, qui est alors d’environ 57 Kelvin uniquement pour de l’hydrogène liquide à 20 Kelvin, tout en ayant une température de paroi interne T PI qui reste plus facilement atteignable que la température de l’hydrogène elle-même. Selon une mise en œuvre du procédé, après achèvement du remplissage, la canalisation 13 ayant accueilli l’azote liquide est soumise à un traitement. Ce traitement peut inclure une purge à l’azote, ou un remplacement de l’azote par de l’hélium. Selon une mise en œuvre du procédé, on réalise, durant le remplissage, une alimentation de la canalisation 13 avec de l’azote gazeux de sorte à permettre de limiter la différence entre la pression dans la canalisation 13 et la pression dans le réservoir 9. Le dispositif de stockage 1 ainsi que le procédé de remplissage d’un réservoir ont été décrits en relation avec l’hydrogène liquide. Toutefois, ils peuvent également s’appliquer à l’hélium liquide ou à l’argon liquide. Dispositif (1) de stockage d’hydrogène liquide, comprenant un réservoir d’hydrogène liquide et un système de refroidissement, le réservoir (9) comprenant : une cavité (11) délimitée par une paroi interne (2), la cavité (11) étant configurée pour recevoir de l’hydrogène liquide à une température (T H ) inférieure à une température ambiante (T A ) de l’air autour du réservoir (9), une première paroi (5) disposée autour de la paroi interne (2) et délimitant un espace vide (8) entre la paroi interne et la première paroi (5), le système de refroidissement comprenant au moins une canalisation (13) située hors de la cavité (11) et en contact avec la paroi interne (2), la canalisation (13) étant configurée pour faire circuler de l’azote liquide à une température de paroi interne (T PI ) supérieure ou égale à la température de l’hydrogène liquide (T H ) et inférieure à la température ambiante (T A ), la température de paroi interne (T PI ) étant préférentiellement supérieure à la température de l’hydrogène liquide (T H ) de moins de 60 Kelvin. Dispositif de stockage d’hydrogène liquide selon la revendication 1, comprenant en outre au moins une deuxième canalisation (4) en contact avec la première paroi (5) et configurée pour faire circuler de l’azote liquide à une température intermédiaire (T I ) entre la température ambiante (T A ) et la température (T H ) de l’hydrogène liquide. Dispositif de stockage d’hydrogène liquide selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, le système de refroidissement comprenant plusieurs canalisations (13), chaque canalisation (13) étant soit reliée à un réservoir d’azote liquide (10) respectif, soit reliée à un unique réservoir d’azote (10) commun à toutes les canalisations (13), les canalisations (13) étant en contact avec des parties différentes de la paroi interne (2). Dispositif de stockage d’hydrogène liquide selon l’une quelconque des revendication 1 à 3, le dispositif de stockage d’hydrogène comprenant plusieurs réservoirs (9) d’hydrogène liquide, le dispositif de stockage d’hydrogène comprenant en outre un système de refroidissement distinct pour chaque réservoir (9) d’hydrogène liquide, un même réservoir d’azote liquide (10) étant relié à chacun des systèmes de refroidissement par une canalisation distincte (13). Procédé de remplissage d’un réservoir (9) d’hydrogène liquide, le réservoir comprenant : une cavité (11) délimitée par une paroi interne (2), la cavité (11) étant configurée pour recevoir de l’hydrogène liquide à une température (T H ) inférieure à une température ambiante (T A ) de l’air autour du réservoir (9), une première paroi (5) disposée autour de la paroi interne (2) et délimitant un espace vide (8) entre la paroi interne et la première paroi (5), le procédé comprenant une étape de mise en circulation d’azote liquide dans au moins une canalisation (13) située en dehors de la cavité (11) et en contact avec la paroi interne (2), l’étape de mise en circulation débutant avant une étape de remplissage du réservoir (9) avec de l’hydrogène liquide, l’azote liquide présentant une température de paroi interne (T PI ) supérieure ou égale à la température de l’hydrogène liquide (T H ) et inférieure à la température ambiante (T A ). Procédé de remplissage d’un réservoir (9) d’hydrogène liquide selon la revendication précédente, la canalisation (13) étant reliée à un réservoir (10) d’azote liquide durant l’étape de mise en circulation, le réservoir (10) d’azote liquide étant déconnecté de la canalisation (13) après achèvement de l’étape de mise en circulation. Procédé de remplissage d’un réservoir (9) d’hydrogène liquide selon l’une des revendications 5 et 6, la température de l’hydrogène (T H ) et/ou la température de paroi interne (T PI ) étant sensiblement égale à 20 Kelvin après achèvement de l’étape de remplissage Procédé de remplissage d’un réservoir (9) d’hydrogène liquide selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, la température de l’hydrogène liquide (T H ) étant sensiblement égale à 20 Kelvin, la température de paroi interne (T PI ) étant sensiblement égale à 77 Kelvin.