FR3130928A1 - Hydrogen storage and supply device and corresponding assembly - Google Patents
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Abstract
Dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène et ensemble correspondant Le dispositif (5) comprend : - un réservoir interne (13); - un réservoir externe (17); - un échangeur de chaleur (27), comportant un côté (29) de circulation d’hydrogène pourvu d’une entrée d’hydrogène (31) et d’une sortie d’hydrogène (33) et un côté de circulation d’un fluide caloporteur (35) ; - un tube (45) placé hors du réservoir externe (17) et raccordant mécaniquement l’échangeur de chaleur (27) au réservoir externe (17) ; - un conduit (53) d’alimentation de l’échangeur de chaleur (27) en hydrogène, comprenant un conduit externe (55) ayant un tronçon amont (57) raccordé fluidiquement au volume de stockage (15) du réservoir interne, et un tronçon aval (59) raccordé fluidiquement à l’entrée d’hydrogène (31), le conduit externe (55) s’étendant à l’intérieur du tube (45) sans contact avec le tube (45). Figure pour l'abrégé : 2Hydrogen storage and supply device and corresponding assembly The device (5) comprises: - an internal tank (13); - an external tank (17); - a heat exchanger (27), comprising a hydrogen circulation side (29) provided with a hydrogen inlet (31) and a hydrogen outlet (33) and a circulation side with a heat transfer fluid (35); - a tube (45) placed outside the external tank (17) and mechanically connecting the heat exchanger (27) to the external tank (17); - a conduit (53) for supplying the heat exchanger (27) with hydrogen, comprising an outer conduit (55) having an upstream section (57) fluidly connected to the storage volume (15) of the inner tank, and a downstream section (59) fluidically connected to the hydrogen inlet (31), the external conduit (55) extending inside the tube (45) without contact with the tube (45). Figure for abstract: 2
Description
L’invention concerne en général un dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène, plus particulièrement en vue de l’alimentation d’une pile à combustible.The invention generally relates to a device for storing and supplying hydrogen, more particularly with a view to supplying a fuel cell.
Ce dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène, outre la présente demande, est protégé par les demandes suivantes, déposées le même jour, par le même demandeur, et portant sur les aspects suivants :This hydrogen storage and supply device, in addition to the present application, is protected by the following applications, filed on the same day, by the same applicant, and relating to the following aspects:
- une demande portant sur un dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène comportant un moyen pour réchauffer le fluide cryogénique sortant du réservoir intérieur, avant alimentation d’un échangeur de chaleur, ce moyen étant une alternative à celui de la présente demande ; cette demande porte la référence interne BFF21P0641 ;- an application relating to a hydrogen storage and supply device comprising a means for heating the cryogenic fluid leaving the inner tank, before supplying a heat exchanger, this means being an alternative to that of the present application; this request has the internal reference BFF21P0641;
- une demande portant sur une unité de stockage d’un fluide cryogénique comportant un getter ou absorbeur de gaz dont le remplacement est facilité ; cette demande porte la référence interne BFF21P0639 ;- a request relating to a storage unit for a cryogenic fluid comprising a getter or gas absorber whose replacement is easy; this request has the internal reference BFF21P0639;
- une demande portant sur une unité de stockage d’un fluide cryogénique comportant une suspension métallique du réservoir interne au réservoir externe ; cette demande porte la référence interne BFF21P0642 ;- a request relating to a cryogenic fluid storage unit comprising a metallic suspension from the internal tank to the external tank; this request has the internal reference BFF21P0642;
- une demande portant sur un ensemble comprenant une unité de stockage de fluide cryogénique et une vanne cryogénique ; cette demande porte la référence interne BFF21P0788 ;- an application relating to an assembly comprising a cryogenic fluid storage unit and a cryogenic valve; this request has the internal reference BFF21P0788;
- une demande portant sur une unité de stockage d’un fluide cryogénique comportant au moins un réservoir additionnel pour allonger le temps de dormance ; cette demande porte la référence interne BFF21P0868.- a request relating to a cryogenic fluid storage unit comprising at least one additional tank to extend the dormancy time; this request has the internal reference BFF21P0868.
Les moteurs à combustion interne sont progressivement remplacés par des moteurs électriques pour la propulsion de véhicules, notamment de véhicules automobiles tels que des voitures individuelles, des véhicules utilitaires ou des camions, ou encore pour la propulsion de trains, de bateaux, etc.Internal combustion engines are gradually being replaced by electric motors for the propulsion of vehicles, in particular motor vehicles such as individual cars, commercial vehicles or trucks, or even for the propulsion of trains, boats, etc.
Une solution pour alimenter électriquement de tels moteurs consiste à embarquer une pile à combustible à bord du véhicule. Cette pile à combustible est alimentée par un gaz anodique qui est typiquement du dihydrogène, communément appelé hydrogène, et par un gaz cathodique qui est par exemple le dioxygène contenu dans l’air, communément appelé oxygène de l’air ou oxygène.One solution for supplying such motors electrically consists of embedding a fuel cell on board the vehicle. This fuel cell is powered by an anode gas which is typically dihydrogen, commonly called hydrogen, and by a cathode gas which is for example the dioxygen contained in the air, commonly called air oxygen or oxygen.
L’hydrogène doit être stocké à bord du véhicule sous la forme la plus compacte possible, de manière à réduire les coûts et à optimiser l’utilisation de l’espace à bord du véhicule.Hydrogen must be stored on board the vehicle in the most compact form possible, so as to reduce costs and optimize the use of space on board the vehicle.
Une possibilité pour réduire le volume occupé par la réserve d’hydrogène est de stocker l’hydrogène à très basse température, sous forme liquide.One possibility to reduce the volume occupied by the hydrogen reserve is to store the hydrogen at very low temperature, in liquid form.
L’hydrogène est liquide, à pression ambiante, à une température proche de 20 K.Hydrogen is liquid, at ambient pressure, at a temperature close to 20 K.
Aucun élément contenant de l’hydrogène liquide ne doit être en contact direct avec l’air ambiant, du fait que ceci provoquerait une liquéfaction de l’air. En effet, l’air se liquéfie à partir de - 196 °C, c’est-à-dire environ 77 K. L’air liquide peut contenir sous certaines conditions jusqu’à 50 % d’oxygène en masse, l’air liquide étant ainsi extrêmement oxydant. Il est donc impératif que le système d’alimentation en hydrogène de la pile à combustible à partir du dispositif de stockage d’hydrogène liquide ne présente aucune paroi en contact avec de l’air à une température inférieure à – 196 °C.No element containing liquid hydrogen should be in direct contact with the surrounding air, as this would cause air liquefaction. Indeed, the air liquefies from - 196 ° C, that is to say about 77 K. Liquid air can contain under certain conditions up to 50% oxygen by mass, air liquid being thus extremely oxidizing. It is therefore imperative that the hydrogen supply system of the fuel cell from the liquid hydrogen storage device has no wall in contact with air at a temperature below -196°C.
La pile à combustible fonctionne avec de l’hydrogène gazeux, à une température supérieure à - 40 °C.The fuel cell works with hydrogen gas, at a temperature above -40°C.
Il existe donc un besoin pour un dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène, prévu pour le stockage d’hydrogène sous forme liquide et pour l’alimentation d’un organe de production d’électricité, tel qu’une pile à combustible, à partir du stockage d’hydrogène sous forme liquide, qui permette de garantir une absence de liquéfaction de l’air ambiant au contact des circuits contenant de l’hydrogène.There is therefore a need for a hydrogen storage and supply device, provided for the storage of hydrogen in liquid form and for the supply of an electricity production device, such as a fuel cell, from the storage of hydrogen in liquid form, which makes it possible to guarantee an absence of liquefaction of the ambient air in contact with the circuits containing hydrogen.
A cette fin, l’invention porte sur un dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène, comprenant : To this end, the invention relates to a hydrogen storage and supply device, comprising:
- un réservoir interne, délimitant intérieurement un volume de stockage destiné à stocker de l’hydrogène liquide ;- an internal tank, internally delimiting a storage volume intended to store liquid hydrogen;
- un réservoir externe à l’intérieur duquel est agencé le réservoir interne, un espace intermédiaire séparant le réservoir interne du réservoir externe;
- une isolation thermique interposée entre le réservoir interne et le réservoir externe;
- un échangeur de chaleur, comportant un côté de circulation d’hydrogène pourvu d’une entrée d’hydrogène et d’une sortie d’hydrogène et un côté de circulation d’un fluide caloporteur ;
- un tube placé hors du réservoir externe et raccordant mécaniquement l’échangeur de chaleur au réservoir externe;- an external tank inside which the internal tank is arranged, an intermediate space separating the internal tank from the external tank;
- thermal insulation interposed between the internal tank and the external tank;
- A heat exchanger, comprising a hydrogen circulation side provided with a hydrogen inlet and a hydrogen outlet and a circulation side of a heat transfer fluid;
- a tube placed outside the external tank and mechanically connecting the heat exchanger to the external tank;
- un conduit d’alimentation de l’échangeur de chaleur en hydrogène, comprenant un conduit externe ayant un tronçon amont raccordé fluidiquement au volume de stockage, et un tronçon aval raccordé fluidiquement à l’entrée d’hydrogène, le conduit externe s’étendant à l’intérieur du tube sans contact avec le tube. - a pipe for supplying the heat exchanger with hydrogen, comprising an outer pipe having an upstream section fluidically connected to the storage volume, and a downstream section fluidly connected to the hydrogen inlet, the external pipe extending inside the tube without contact with the tube.
Le dispositif de stockage d’hydrogène liquide, comprenant un réservoir interne, un réservoir externe et une isolation thermique intermédiaire, permet une excellente isolation thermique pour l’hydrogène liquide stocké dans le volume de stockage du réservoir interne. L’air ambiant n’est jamais en contact direct avec la paroi du réservoir interne, du fait de la présence du réservoir externe et de l’isolation thermique existant entre le réservoir interne et le réservoir externe.The liquid hydrogen storage device, comprising an inner tank, an outer tank and an intermediate thermal insulation, provides excellent thermal insulation for the liquid hydrogen stored in the storage volume of the internal tank. The ambient air is never in direct contact with the wall of the internal tank, due to the presence of the external tank and the thermal insulation existing between the internal tank and the external tank.
L’échangeur de chaleur permet de réchauffer l’hydrogène liquide stocké dans le réservoir interne, et de porter cet hydrogène à une température compatible avec le fonctionnement d’un organe de production d’électricité tel qu’une pile à combustible. L’hydrogène est gazeux à la sortie de l’échangeur de chaleur.The heat exchanger makes it possible to heat the liquid hydrogen stored in the internal tank, and to bring this hydrogen to a temperature compatible with the operation of an electricity production device such as a fuel cell. The hydrogen is gaseous at the outlet of the heat exchanger.
L’hydrogène circule depuis le volume de stockage jusqu’à l’entrée de l’échangeur de chaleur dans le conduit d’alimentation. La partie de ce conduit d’alimentation situé à l’extérieur du réservoir externe est placé dans un tube. Du fait de la présence du tube il n’y a pas de contact direct possible entre l’air ambiant et le conduit externe.The hydrogen circulates from the storage volume to the inlet of the heat exchanger in the supply pipe. The part of this supply pipe located outside the external tank is placed in a tube. Due to the presence of the tube, there is no possible direct contact between the ambient air and the external duct.
Par ailleurs, le conduit externe est chauffé par rayonnement à partir du tube. Ceci contribue à faire que les gouttelettes d’hydrogène liquide qui pourraient être entrainées hors du volume de stockage avec l’hydrogène gazeux et qui circulent dans le conduit externe, soient évaporées avant d’atteindre l’entrée de l’échangeur de chaleur.Furthermore, the outer conduit is heated by radiation from the tube. This contributes to the fact that the droplets of liquid hydrogen which could be driven out of the storage volume with the gaseous hydrogen and which circulate in the external pipe, are evaporated before reaching the inlet of the heat exchanger.
Le dispositif peut en outre présenter les caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :The device may also have the characteristics below, considered individually or in all technically possible combinations:
- l’échangeur de chaleur comprend un organe de fixation agencé autour de l’entrée d’hydrogène, le dispositif de stockage et d’alimentation comprenant un organe de fixation complémentaire fixé à l’organe de fixation, le tube raccordant mécaniquement l’organe de fixation complémentaire au réservoir externe ;- the heat exchanger comprises a fixing member arranged around the hydrogen inlet, the storage and supply device comprising a complementary fixing member fixed to the fixing member, the tube mechanically connecting the member additional attachment to the external tank;
- le tronçon amont présente une section de passage amont pour l’hydrogène circulant dans le conduit externe, le conduit externe comprenant un tronçon intermédiaire raccordant le tronçon amont au tronçon aval, le tronçon intermédiaire présentant une section de passage intermédiaire pour l’hydrogène supérieure à la section de passage amont ;- the upstream section has an upstream passage section for the hydrogen flowing in the external conduit, the external conduit comprising an intermediate section connecting the upstream section to the downstream section, the intermediate section having an intermediate passage section for the hydrogen greater than the upstream passage section;
- le conduit externe est placé au-dessus du réservoir externe et présente un axe central formant un angle inférieur à 60° par rapport à la direction verticale ;- the outer conduit is placed above the outer reservoir and has a central axis forming an angle of less than 60° with respect to the vertical direction;
-le conduit d’alimentation comprend un conduit interne, logé dans un ciel du volume de stockage et présentant des orifices débouchant dans le volume de stockage, le tronçon amont étant raccordé fluidiquement au conduit interne ; - the supply duct comprises an internal duct, housed in a top of the storage volume and having orifices opening out into the storage volume, the upstream section being fluidically connected to the internal duct;
- le conduit interne est sensiblement horizontal et s’étend sur la plus grande partie de la longueur du réservoir interne ;- the internal duct is substantially horizontal and extends over the greater part of the length of the internal tank;
- les orifices du conduit interne sont tournés vers le haut ;- the orifices of the internal duct are facing upwards;
-le conduit d’alimentation comprend un conduit coudé raccordant le conduit interne au tronçon amont du conduit externe, le conduit coudé traversant le réservoir interne et traversant sans contact le réservoir externe ; - the supply duct comprises a bent duct connecting the internal duct to the upstream section of the external duct, the bent duct passing through the internal tank and passing through the external tank without contact;
-le côté de circulation d’hydrogène comprend une pluralité de tubes de circulation d’hydrogène et un collecteur de distribution de l’hydrogène dans les tubes dans lequel débouche l’entrée d’hydrogène, le côté de circulation du fluide caloporteur comprenant une double enveloppe isolant le collecteur de distribution de l’hydrogène d’une atmosphère extérieure. - the hydrogen circulation side comprises a plurality of hydrogen circulation tubes and a hydrogen distribution manifold in the tubes into which the hydrogen inlet opens, the heat transfer fluid circulation side comprising a double casing isolating the hydrogen distribution manifold from an external atmosphere.
Selon un second aspect, l’invention porte sur un ensemble comprenant :
- une pile à combustible ayant un circuit de gaz anodique pourvu d’une entrée de gaz anodique et un circuit de refroidissement de pile ayant une entrée de refroidissement et une sortie de refroidissement;According to a second aspect, the invention relates to an assembly comprising:
- a fuel cell having an anode gas circuit provided with an anode gas inlet and a cell cooling circuit having a cooling inlet and a cooling outlet;
- un dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène selon l’une quelconque des revendications précédentes, la sortie d’hydrogène du côté de circulation d’hydrogène de l’échangeur de chaleur étant raccordée fluidiquement à l’entrée de gaz anodique;
- un circuit de fluide caloporteur comprenant :- a hydrogen storage and supply device according to any one of the preceding claims, the hydrogen outlet on the hydrogen circulation side of the heat exchanger being fluidly connected to the anode gas inlet;
- a heat transfer fluid circuit comprising:
* un vase d’expansion ayant une sortie de vase et une entrée de vase raccordée fluidiquement à la sortie de refroidissement,* an expansion tank having a tank outlet and a tank inlet fluidly connected to the cooling outlet,
* un organe de circulation de fluide caloporteur ayant une aspiration raccordée fluidiquement à la sortie de vase, et un refoulement raccordé fluidiquement à une entrée de fluide caloporteur du côté de circulation de fluide caloporteur de l’échangeur de chaleur, et
* un organe d’orientation ayant une entrée raccordée fluidiquement à une sortie de fluide caloporteur du côté de circulation de fluide caloporteur de l’échangeur de chaleur, une première sortie raccordée fluidiquement à l’entrée de vase et une seconde sortie raccordée fluidiquement à l’entrée de refroidissement du circuit de refroidissement de pile, l’organe d’orientation étant configuré pour raccorder fluidiquement l’entrée sélectivement à la première sortie ou à la seconde sortie.* a heat transfer fluid circulation member having a suction fluidly connected to the vessel outlet, and a discharge fluidly connected to a heat transfer fluid inlet on the heat transfer fluid circulation side of the heat exchanger, and
* an orientation member having an inlet fluidically connected to a heat transfer fluid outlet on the heat transfer fluid circulation side of the heat exchanger, a first outlet fluidly connected to the vessel inlet and a second outlet fluidly connected to the cooling inlet of the cell cooling circuit, the orientation member being configured to fluidically connect the inlet selectively to the first outlet or to the second outlet.
Cet ensemble peut en outre présenter la caractéristique suivante :This assembly may also have the following characteristic:
l’échangeur de chaleur comprend un organe de chauffage électrique agencé pour chauffer électriquement l’hydrogène, l’ensemble comprenant un contrôleur configuré pour sélectivement :the heat exchanger comprises an electric heater arranged to electrically heat the hydrogen, the assembly comprising a controller configured to selectively:
- activer l’organe de chauffage électrique et raccorder fluidiquement l’entrée de l’organe d’orientation à la première sortie; ou- activate the electric heater and fluidically connect the inlet of the orientation device to the first outlet; Or
- arrêter l’organe de chauffage électrique et raccorder fluidiquement l’entrée de l’organe d’orientation à la seconde sortie.- stop the electric heating device and fluidically connect the inlet of the orientation device to the second outlet.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, among which:
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La
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La
-
La
-
La
-
La
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La
L’ensemble 1 illustrée sur la
Cet ensemble 1 est typiquement prévu pour être embarqué à bord d’un véhicule ayant un moteur à propulsion électrique, par exemple un véhicule automobile, un train, un bateau ou tout autre véhicule. Le véhicule automobile est par exemple une voiture, un véhicule utilitaire, un camion, etc.This assembly 1 is typically intended to be carried on board a vehicle having an electric propulsion motor, for example a motor vehicle, a train, a boat or any other vehicle. The motor vehicle is for example a car, a commercial vehicle, a truck, etc.
La pile à combustible 3 est configurée pour produire de l’électricité, et alimenter le moteur à propulsion électrique.The fuel cell 3 is configured to produce electricity, and power the electric propulsion motor.
La pile à combustible 3 comporte un circuit de gaz anodique 9 et un circuit de refroidissement de pile 11. La pile à combustible 3 comporte encore un circuit de gaz cathodique, non représenté.The fuel cell 3 includes an anode gas circuit 9 and a cell cooling circuit 11. The fuel cell 3 also includes a cathode gas circuit, not shown.
Le circuit de gaz anodique 9 est alimenté en hydrogène par le dispositif de stockage et d’alimentation 5.The anode gas circuit 9 is supplied with hydrogen by the storage and supply device 5.
Le circuit de gaz cathodique est alimenté en un gaz oxydant, ce gaz oxydant étant typiquement de l’oxygène.The cathode gas circuit is supplied with an oxidizing gas, this oxidizing gas typically being oxygen.
La pile à combustible 3 comporte une pluralité de cellules, chacune équipées d’une anode et d’une cathode. Le circuit de gaz anodique fourni de l’hydrogène à l’anode, l’hydrogène étant décomposé à l’anode en proton H+. Les protons H+migrent à travers une barrière jusqu’à la cathode, et se combinent à la cathode avec l’oxygène circulant dans le circuit de gaz cathodique pour produire de la vapeur d’eau. Le circuit de refroidissement de pile 11 est agencé pour refroidir les cellules de la pile à combustible 3.The fuel cell 3 comprises a plurality of cells, each equipped with an anode and a cathode. The anode gas circuit supplies hydrogen to the anode, the hydrogen being decomposed at the anode into the proton H + . The H + protons migrate through a barrier to the cathode, and combine at the cathode with the oxygen circulating in the cathode gas circuit to produce water vapor. The cell cooling circuit 11 is arranged to cool the cells of the fuel cell 3.
Les réactions chimiques, de type oxydo-réduction, intervenant à l’anode et à la cathode créent un courant électrique.The chemical reactions, of the oxido-reduction type, occurring at the anode and the cathode create an electric current.
Comme visible sur les figures 1 et 2, le dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène 5 comprend un réservoir interne 13 délimitant intérieurement un volume 15 de stockage, destiné à stocker de l’hydrogène liquide. Le dispositif 5 comprend encore un réservoir externe 17, à l’intérieur duquel est agencé le réservoir interne 13, ainsi qu’un espace intermédiaire 19 séparant le réservoir interne 13 du réservoir externe 17.As seen in Figures 1 and 2, the hydrogen storage and supply device 5 comprises an internal tank 13 internally delimiting a storage volume 15, intended to store liquid hydrogen. The device 5 also comprises an external tank 17, inside which the internal tank 13 is arranged, as well as an intermediate space 19 separating the internal tank 13 from the external tank 17.
Une isolation thermique 21 est interposée entre le réservoir interne 13 et le réservoir externe 17.A thermal insulation 21 is interposed between the internal tank 13 and the external tank 17.
Le réservoir interne 13 est typiquement d’axe horizontal.The internal reservoir 13 is typically horizontal in axis.
Il comporte une virole cylindrique 23 et deux fonds 25 fermant les deux extrémités de la virole cylindrique 23.It comprises a cylindrical shell 23 and two bottoms 25 closing the two ends of the cylindrical shell 23.
La virole cylindrique 23 présente son axe central horizontal.The cylindrical shell 23 has its central axis horizontal.
Le réservoir externe 17 est sans contact direct avec le réservoir interne 13. On entend par là que le réservoir interne 13 et le réservoir externe 17 ne sont en contact mécaniquement l’un avec l’autre que par l’intermédiaire de suspensions non représentées, ces suspensions étant agencées pour minimiser les transferts de chaleur du réservoir externe 17 vers le réservoir interne 13.The external tank 17 is without direct contact with the internal tank 13. This means that the internal tank 13 and the external tank 17 are in mechanical contact with each other only by means of suspensions not shown, these suspensions being arranged to minimize heat transfers from the external tank 17 to the internal tank 13.
L’isolation thermique 21 comporte une pluralité de feuilles métallique superposées les unes sur les autres, avec interposition de couches de fibre. Cette isolation thermique 21 est placée sur la surface externe du réservoir interne 13.The thermal insulation 21 comprises a plurality of metal sheets superimposed on each other, with the interposition of fiber layers. This thermal insulation 21 is placed on the external surface of the internal tank 13.
Par ailleurs, l’espace intermédiaire 19 est maintenue sous un vide poussé, de manière à limiter fortement les transferts thermiques par convection depuis le réservoir externe 17 vers le réservoir interne 13.Furthermore, the intermediate space 19 is maintained under a high vacuum, so as to greatly limit the heat transfers by convection from the external tank 17 to the internal tank 13.
Le dispositif de stockage et d’alimentation 5 comprend encore un échangeur de chaleur 27, comportant un côté de circulation d’hydrogène 29 pourvu d’une entrée d’hydrogène 31 et d’une sortie d’hydrogène 33, et un côté de circulation de fluide caloporteur 35 (
L’échangeur de chaleur 27 comporte notamment un organe de fixation 37 agencé autour de l’entrée d’hydrogène 31.The heat exchanger 27 comprises in particular a fixing member 37 arranged around the hydrogen inlet 31.
L’organe de fixation 37 est rigidement fixé à l’entrée d’hydrogène 31, et plus précisément à la double enveloppe délimitant cette entrée, comme expliqué plus loin.The fixing member 37 is rigidly fixed to the hydrogen inlet 31, and more precisely to the double envelope delimiting this inlet, as explained below.
Cet organe de fixation 37 est typiquement une bride.This fixing member 37 is typically a flange.
Le dispositif de stockage et d’alimentation 5 comporte encore un organe de fixation complémentaire 39 fixé à l’organe de fixation 37.The storage and supply device 5 further comprises a complementary fixing member 39 fixed to the fixing member 37.
L’organe de fixation complémentaire 39 est placé hors du réservoir externe 17.The complementary fixing member 39 is placed outside the external tank 17.
L’organe de fixation complémentaire 39 est typiquement une bride. L’organe de fixation 37 et l’organe de fixation complémentaire 39 sont fixés l’un à l’autre par tous moyens adaptés, par exemple par soudage ou par des organes amovibles tels que des vis.The complementary fastener 39 is typically a flange. The fixing member 37 and the complementary fixing member 39 are fixed to each other by any suitable means, for example by welding or by removable members such as screws.
L’organe de fixation complémentaire 39 délimite un orifice complémentaire 41, en communication fluidique avec l’entrée d’hydrogène 31. L’orifice complémentaire 41 est typiquement placé en coïncidence avec l’entrée d’hydrogène 31.The additional fixing member 39 delimits an additional orifice 41, in fluid communication with the hydrogen inlet 31. The additional orifice 41 is typically placed in coincidence with the hydrogen inlet 31.
Dans l’exemple représenté, l’organe de fixation complémentaire 39 comporte une dépression centrale 43, concave vers l’organe de fixation 37. L’orifice complémentaire 41 occupe le fond de la dépression 43 de l’organe de fixation complémentaire 39.In the example shown, the complementary fastening member 39 comprises a central depression 43, concave towards the fastening member 37. The complementary orifice 41 occupies the bottom of the depression 43 of the complementary fastening member 39.
Le dispositif de stockage et d’alimentation 5 comporte encore un tube 45 raccordant mécaniquement l’échangeur de chaleur 27 au réservoir externe 17.The storage and supply device 5 further comprises a tube 45 mechanically connecting the heat exchanger 27 to the external tank 17.
Le tube 45 sont placés hors du réservoir externe 17.The tube 45 are placed outside the external reservoir 17.
Le tube 45 raccorde mécaniquement l’organe de fixation complémentaire 39 au réservoir externe 17.The tube 45 mechanically connects the complementary fastening member 39 to the external tank 17.
Une extrémité supérieure 47 du tube 45 est rigidement fixée à l’organe de fixation complémentaire 39.An upper end 47 of tube 45 is rigidly fixed to complementary fixing member 39.
L’extrémité supérieure 47 du tube 45 est fixée de manière étanche à l’organe de fixation complémentaire 39.The upper end 47 of the tube 45 is fixed in a sealed manner to the complementary fixing member 39.
L’extrémité supérieure 47 du tube 45 est fixée sur la surface de l’organe de fixation complémentaire 39 tournée à l’opposé de l’organe de fixation 37. Elle entoure entièrement l’orifice complémentaire 41.The upper end 47 of the tube 45 is fixed to the surface of the complementary fixing member 39 facing away from the fixing member 37. It entirely surrounds the complementary orifice 41.
La dépression 43 de l’organe de fixation complémentaire 39 est engagée à l’intérieur de l’extrémité supérieure 47 du tube 45.The depression 43 of the complementary fastener 39 is engaged inside the upper end 47 of the tube 45.
Le tube 45 présente une extrémité inférieure 49, opposée à l’extrémité supérieure 47, rigidement fixée au réservoir externe 17.The tube 45 has a lower end 49, opposite the upper end 47, rigidly fixed to the external tank 17.
L’extrémité inférieure 49 du tube 45 est fixée de manière étanche au réservoir extérieur 17.The lower end 49 of the tube 45 is fixed in a sealed manner to the outer tank 17.
Par exemple, le réservoir extérieur 17 présente un orifice 51 délimité par un bord dressé. L’extrémité inférieure 49 du tube 45 est engagée dans l’orifice 51 du réservoir extérieur 17, le bord dressé étant plaqué contre la surface externe du tube 45 et raccordé de manière étanche à celle-ci.For example, the outer reservoir 17 has an orifice 51 delimited by a raised edge. The lower end 49 of the tube 45 is engaged in the orifice 51 of the outer tank 17, the raised edge being pressed against the outer surface of the tube 45 and connected in a sealed manner thereto.
Ainsi, le volume interne du tube 45 communique avec l’espace intermédiaire 19, et est maintenu lui aussi à un niveau de vide poussé.Thus, the internal volume of the tube 45 communicates with the intermediate space 19, and is also maintained at a high vacuum level.
Le tube 45 est typiquement un tube droit, de section constante.The tube 45 is typically a straight tube, of constant section.
Avantageusement, le tube 45 est en acier inoxydable austénitique, tel que de type 316, 316L, 304 ou 304L, et de préférence de type 316L.Advantageously, tube 45 is made of austenitic stainless steel, such as type 316, 316L, 304 or 304L, and preferably type 316L.
Le dispositif de stockage et d’alimentation 5 comprend encore un conduit 53 d’alimentation de l’échangeur de chaleur 27 en hydrogène, représenté sur la
Le conduit d’alimentation 53 comprend un conduit externe 55, s’étendant à l’intérieur du tube 45, sans contact avec le tube 45.The supply conduit 53 comprises an outer conduit 55, extending inside the tube 45, without contact with the tube 45.
On entend par là qu’il n’existe pas de contact mécanique directe entre le tube 45 et le conduit externe 55.This means that there is no direct mechanical contact between the tube 45 and the external conduit 55.
Le conduit externe 55 comporte un tronçon amont 57 raccordé fluidiquement au volume de stockage 15. Il comporte également un tronçon aval 59 raccordé fluidiquement à l’entrée d’hydrogène 31.The outer conduit 55 comprises an upstream section 57 fluidically connected to the storage volume 15. It also comprises a downstream section 59 fluidically connected to the hydrogen inlet 31.
Typiquement, le tronçon aval 59 est directement raccordé à l’orifice complémentaire 41.Typically, the downstream section 59 is directly connected to the complementary orifice 41.
Avantageusement, le conduit externe 55 comprend encore un tronçon intermédiaire 61 raccordant le tronçon amont 57 au tronçon aval 59.Advantageously, the outer conduit 55 further comprises an intermediate section 61 connecting the upstream section 57 to the downstream section 59.
Le tronçon intermédiaire 61 est directement raccordé au tronçon amont 57 et au tronçon aval 59.The intermediate section 61 is directly connected to the upstream section 57 and to the downstream section 59.
Le tronçon amont 57 présente une section de passage amont pour l’hydrogène circulant dans le conduit externe 55. Le tronçon intermédiaire 61 présente une section de passage intermédiaire pour l’hydrogène supérieure à la section de passage amont.The upstream section 57 has an upstream passage section for the hydrogen flowing in the outer pipe 55. The intermediate section 61 has an intermediate passage section for the hydrogen greater than the upstream passage section.
En d’autres termes, le tronçon intermédiaire 61 constitue une partie élargie du conduit externe 55. La présence de cette partie élargie est particulièrement avantageuse quand un bouchon de liquide venant du volume de stockage 15 arrive dans le conduit externe 55. Le tronçon intermédiaire 61 permet de séparer l’hydrogène liquide de l’hydrogène gazeux. Du fait de l’augmentation de volume, l’hydrogène gazeux peut traverser la couche liquide, ce liquide restant dans le tronçon intermédiaire 61 élargie pendant un temps suffisant pour son évaporation.In other words, the intermediate section 61 constitutes a widened part of the external duct 55. The presence of this widened part is particularly advantageous when a plug of liquid coming from the storage volume 15 arrives in the external duct 55. The intermediate section 61 separates liquid hydrogen from gaseous hydrogen. Due to the increase in volume, the hydrogen gas can pass through the liquid layer, this liquid remaining in the enlarged intermediate section 61 for a sufficient time for its evaporation.
Le conduit externe 55 est sensiblement rectiligne. Il est sensiblement coaxial au tube 45.The outer duct 55 is substantially straight. It is substantially coaxial with tube 45.
Dans l’exemple représenté, le tronçon aval 59 présente une section de passage pour l’hydrogène sensiblement égale à celle du tronçon amont 57.In the example shown, the downstream section 59 has a passage section for the hydrogen substantially equal to that of the upstream section 57.
Le conduit externe 55 s’étend sensiblement sur toute la longueur du tube 45.The outer conduit 55 extends substantially over the entire length of the tube 45.
Le conduit externe 55 est placé au-dessus du réservoir externe 17. Il présente un axe central C formant un angle inférieur à 60° par rapport à la direction verticale, de préférence inférieur à 45°, encore de préférence inférieur à 30°.The outer conduit 55 is placed above the outer reservoir 17. It has a central axis C forming an angle of less than 60° relative to the vertical direction, preferably less than 45°, more preferably less than 30°.
Ainsi, les gouttelettes du liquide susceptible d’être entrainées par l’hydrogène gazeux ont tendance à ruisseler vers le volume de stockage 15. Elles s’accumulent dans la partie inférieure du tronçon intermédiaire 61, à l’opposé de l’échangeur de chaleur 27.Thus, the droplets of liquid likely to be entrained by the hydrogen gas tend to trickle towards the storage volume 15. They accumulate in the lower part of the intermediate section 61, opposite the heat exchanger 27.
Il est à noter que le tronçon amont 57 et/ou le tronçon aval 59 présente une partie pliée en accordéon 63, ce qui permet de donner de la souplesse au conduit d’alimentation 53.It should be noted that the upstream section 57 and/or the downstream section 59 has an accordion-folded part 63, which makes it possible to give flexibility to the supply conduit 53.
En effet, le conduit d’alimentation 53 raccorde mécaniquement le réservoir interne 13 au réservoir externe 17, via le tube 45 et l’organe de fixation complémentaire 39.Indeed, the supply conduit 53 mechanically connects the internal tank 13 to the external tank 17, via the tube 45 and the complementary fixing device 39.
Au cours de l’utilisation du dispositif de stockage et d’alimentation 5, il peut se produire un mouvement relatif entre le réservoir interne 13 et le réservoir externe 17, les parties en accordéon 63 donnant au conduit d’alimentation 53 la souplesse nécessaire pour que ce conduit ne casse pas.During the use of the storage and supply device 5, a relative movement may occur between the internal tank 13 and the external tank 17, the concertina parts 63 giving the supply conduit 53 the flexibility necessary to that this conduit does not break.
Comme visible sur les figures 1, 2 et 4, le conduit d’alimentation 53 comprend encore un conduit interne 65, logé dans un ciel 66 du volume de stockage 15.As visible in Figures 1, 2 and 4, the supply duct 53 also includes an internal duct 65, housed in a sky 66 of the storage volume 15.
Le ciel 66 du volume de stockage 15 correspond à la zone supérieure du volume du stockage 15, qui n’est pas occupée par le liquide, et qui ne contient donc que de l’hydrogène gazeux.The top 66 of the storage volume 15 corresponds to the upper zone of the storage volume 15, which is not occupied by the liquid, and which therefore only contains gaseous hydrogen.
En d’autres termes, le conduit interne 65 n’est pas noyé dans l’hydrogène liquide, mais se situe au-dessus de la surface libre du volume d’hydrogène liquide.In other words, the internal conduit 65 is not embedded in liquid hydrogen, but is located above the free surface of the volume of liquid hydrogen.
Le conduit interne 65 présente des orifices 67 débouchant dans le volume de stockage 15.The internal duct 65 has orifices 67 opening into the storage volume 15.
Le tronçon amont 57 est raccordé fluidiquement au conduit interne 65.The upstream section 57 is fluidically connected to the internal pipe 65.
Plus précisément, le conduit d’alimentation 53 comporte un conduit coudé 69, raccordant le conduit interne 65 au tronçon amont 57 du conduit externe 55.More specifically, the supply duct 53 comprises an elbow duct 69, connecting the internal duct 65 to the upstream section 57 of the external duct 55.
Le conduit coudé 69 est raccordé directement à une extrémité du conduit interne 65. Le conduit interne 65 est fermé à son extrémité 70 opposée au conduit coudé 69. L’extrémité 70 est écrasée et forme une queue de carpe.The elbow conduit 69 is connected directly to one end of the internal conduit 65. The internal conduit 65 is closed at its end 70 opposite to the elbow conduit 69. The end 70 is crushed and forms a carp tail.
Le conduit interne 65 est typiquement rectiligne.The internal duct 65 is typically straight.
Il est avantageusement sensiblement horizontal et s’étend sur la plus grande partie de la longueur du réservoir interne 13. La longueur du conduit interne 65 dépend de nombreux paramètres tels que la position des orifices 67 par rapport au sens de marche. Les orifices 67 se trouveront plutôt à l’avant du véhicule 1 car lors d’accélérations ou de montées la demande en hydrogène sera plus forte et la partie liquide sera plutôt à l’arrière. Au contraire, en décélération ou descente, la demande en hydrogène est nulle ou faible. Le nombre d’orifices 67et donc la longueur de la partie perforée du conduit interne 65 vont aussi dépendre du débit maximum de soutirage, ce débit dépendant de la puissance de la pile à combustible 3.It is advantageously substantially horizontal and extends over the greater part of the length of the internal reservoir 13. The length of the internal duct 65 depends on numerous parameters such as the position of the orifices 67 with respect to the direction of travel. The orifices 67 will be more at the front of the vehicle 1 because during accelerations or climbs the demand for hydrogen will be higher and the liquid part will be more at the rear. On the contrary, in deceleration or descent, the hydrogen demand is zero or low. The number of orifices 67 and therefore the length of the perforated part of the internal duct 65 will also depend on the maximum withdrawal rate, this rate depending on the power of the fuel cell 3.
Les orifices 67 sont répartis sur la longueur du conduit interne 65, typiquement régulièrement répartis.The orifices 67 are distributed over the length of the internal duct 65, typically evenly distributed.
Avantageusement, ils sont tournés vers le haut, c’est-à-dire d’un côté opposé au volume d’hydrogène liquide.Advantageously, they face upwards, that is to say on a side opposite to the volume of liquid hydrogen.
Le conduit coudé 69 traverse le réservoir interne 13 et traverse sans contact le réservoir externe 17. La traversée du réservoir interne 13 est réalisée de manière étanche. Le conduit coudé 69 passe à travers le réservoir externe 17 par l’orifice 51.The elbow pipe 69 passes through the internal tank 13 and passes through the external tank 17 without contact. The crossing of the internal tank 13 is made in a sealed manner. Elbow pipe 69 passes through external tank 17 through port 51.
Le conduit coudé 69 présente la forme générale d’un coude plié à 90°.The elbow pipe 69 has the general shape of an elbow bent at 90°.
Le côté de circulation d’hydrogène 29 de l’échangeur de chaleur 27 comprend une pluralité de tubes de circulation d’hydrogène 71 et un collecteur 73 de distribution de l’hydrogène dans les tubes 71.The hydrogen circulation side 29 of the heat exchanger 27 comprises a plurality of hydrogen circulation tubes 71 and a manifold 73 for distributing hydrogen in the tubes 71.
Il comporte également un collecteur de sortie 75, collectant l’hydrogène sortant des tubes 71.It also has an outlet collector 75, collecting the hydrogen coming out of the tubes 71.
La sortie d’hydrogène 33 de l’échangeur de chaleur 27 débouche dans le collecteur de sortie 75.The hydrogen outlet 33 from the heat exchanger 27 opens into the outlet manifold 75.
Chaque tube 71 présente une forme générale en U avec une première partie de tube 77 rectiligne débouchant dans le collecteur de distribution 73, une seconde partie de tube 79 rectiligne débouchant dans le collecteur de sortie 75, et une partie intermédiaire 81 de forme complexe raccordant l’une à l’autre les parties de tube 77 et 79.Each tube 71 has a general U-shape with a first straight tube part 77 opening into the distribution manifold 73, a second straight tube part 79 opening into the outlet manifold 75, and an intermediate part 81 of complex shape connecting the to each other the tube parts 77 and 79.
Les parties de tube 77, 79 de tous les tubes 71 sont parallèles à une même direction X, matérialisée sur les figures 3, 5 et 6.The tube parts 77, 79 of all the tubes 71 are parallel to the same direction X, materialized in Figures 3, 5 and 6.
Les collecteurs de distribution et de sortie 73, 75 sont situés à une première extrémité de l’échangeur de chaleur 27 suivant la direction X. Les parties intermédiaires 81 des différents tubes 71 forment un chignon agencé à la seconde extrémité de l’échangeur de chaleur 27, la seconde extrémité étant opposée aux collecteurs de distribution et de sortie 73, 75 suivant la direction X.The distribution and outlet manifolds 73, 75 are located at a first end of the heat exchanger 27 in the direction X. The intermediate parts 81 of the various tubes 71 form a bun arranged at the second end of the heat exchanger 27, the second end being opposite the distribution and output manifolds 73, 75 in the direction X.
Le côté de circulation du fluide caloporteur 35 comporte un corps 83 de forme tubulaire, allongé selon la direction X. Il délimite intérieurement un volume de circulation pour le fluide caloporteur.The circulation side of the heat transfer fluid 35 comprises a body 83 of tubular shape, elongated in the direction X. It internally delimits a circulation volume for the heat transfer fluid.
Le corps 83 présente une ouverture 85 du côté des collecteurs de distribution et de sortie 73, 75. Il est fermé par un fond 87 du côté du chignon constitué par les parties intermédiaires 81 des tubes 71. L’ouverture 85 est fermée par une plaque 89, percée de trous 91. Les extrémités des parties de tube 77, 79 des tubes sont engagées et rigidement fixées chacune dans un des trous 91.The body 83 has an opening 85 on the side of the distribution and outlet manifolds 73, 75. It is closed by a bottom 87 on the side of the bun formed by the intermediate parts 81 of the tubes 71. 89, pierced with holes 91. The ends of the tube parts 77, 79 of the tubes are each engaged and rigidly fixed in one of the holes 91.
Les extrémités des parties de tube 77 sont rassemblées dans une zone de la plaque 89 qui délimite un côté du collecteur de distribution 73.The ends of the tube parts 77 are gathered in an area of the plate 89 which delimits one side of the distribution manifold 73.
De manière analogue, les extrémités des parties de tube 79 sont rassemblées dans une zone de la plaque 89 qui délimite un côté du collecteur de sortie 75.Similarly, the ends of the tube portions 79 are gathered in an area of the plate 89 which delimits one side of the outlet manifold 75.
Les tubes 71 sont entièrement logés dans le corps 83, sans contact direct entre les tubes 71 et le corps 83 ou le fond 87.The tubes 71 are entirely housed in the body 83, with no direct contact between the tubes 71 and the body 83 or the bottom 87.
Le côté 35 de circulation du fluide caloporteur comprend une double enveloppe 93 (figures 3 et 5), isolant le collecteur de distribution d’hydrogène 73 de l’atmosphère extérieure.The heat transfer fluid circulation side 35 comprises a double jacket 93 (FIGS. 3 and 5), isolating the hydrogen distribution manifold 73 from the outside atmosphere.
Dans l’exemple représenté, la double enveloppe 93 délimite un volume tubulaire dont une extrémité délimite l’entrée d’hydrogène 31, et dont une autre extrémité est fermée par la plaque 89. Ce volume tubulaire constitue le collecteur de distribution 73. L’organe de fixation 37 est fixé autour de la double enveloppe 93.In the example shown, the double jacket 93 delimits a tubular volume, one end of which delimits the hydrogen inlet 31, and the other end of which is closed by the plate 89. This tubular volume constitutes the distribution manifold 73. The fixing member 37 is fixed around the double envelope 93.
Le côté 35 de circulation du fluide caloporteur présente une entrée de fluide caloporteur 95 et une sortie de fluide caloporteur 97. L’entrée de fluide caloporteur 95 débouche directement dans une double enveloppe 93.The heat transfer fluid circulation side 35 has a heat transfer fluid inlet 95 and a heat transfer fluid outlet 97. The heat transfer fluid inlet 95 opens directly into a double jacket 93.
La double enveloppe 93 présente une sortie de fluide caloporteur 97 qui débouche dans le volume interne du corps 83, à une extrémité de celui-ci.The double envelope 93 has a heat transfer fluid outlet 97 which opens into the internal volume of the body 83, at one end of the latter.
La sortie de fluide caloporteur 97 est ménagée à l’extrémité du corps 83 opposée à l’entrée de fluide caloporteur 95 suivant la direction X. Elle est par exemple ménagée dans le fond 87.The heat transfer fluid outlet 97 is provided at the end of the body 83 opposite the heat transfer fluid inlet 95 in the direction X. It is for example provided in the bottom 87.
L’échangeur de chaleur 27 comporte encore une pluralité de plaques entretoises 99, disposées à l’intérieur du corps 83 et réparties suivant la direction X. Ces plaques entretoises 99 sont sensiblement perpendiculaires à la direction X. Elles présentent des trous, recevant les parties de tube 77, 79. Elles maintiennent ainsi en position les parties de tube 77, 79 les unes par rapport aux autres, et en position par rapport au corps 83.The heat exchanger 27 also comprises a plurality of spacer plates 99, arranged inside the body 83 and distributed along the direction X. These spacer plates 99 are substantially perpendicular to the direction X. They have holes, receiving the parts tube 77, 79. They thus hold the tube parts 77, 79 in position with respect to each other, and in position with respect to the body 83.
Chaque plaque entretoise 99 ne s’étend que sur une partie de la section interne du corps 83, de telle sorte que le fluide caloporteur circule en chicane à l’intérieur du corps 83, depuis la double enveloppe 93 jusqu’à la sortie de fluide caloporteur 97.Each spacer plate 99 extends only over part of the internal section of the body 83, so that the heat transfer fluid circulates in a chicane inside the body 83, from the double envelope 93 to the fluid outlet. coolant 97.
L’échangeur de chaleur 27 comporte encore un organe de chauffage électrique 101, agencé pour chauffer électriquement l’hydrogène.The heat exchanger 27 further comprises an electric heating device 101, arranged to electrically heat the hydrogen.
Cet organe de chauffage électrique 101 est de tout type adapté. Typiquement, il chauffe de manière résistive.This electric heater 101 is of any suitable type. Typically, it heats resistively.
L’organe de chauffage électrique 101 est engagé à l’intérieur du corps 83 à travers un orifice 103 ménagé dans le fond 83. Il comporte une partie de chauffage active 105, dégageant de la chaleur. Cette partie de chauffage active 105 s’étend selon l’axe central X de l’échangeur de chaleur 27, à partir de l’orifice 103, sur la plus grande partie de la longueur du corps 83.The electric heater 101 is engaged inside the body 83 through an orifice 103 provided in the bottom 83. It comprises an active heating part 105, releasing heat. This active heating part 105 extends along the central axis X of the heat exchanger 27, from the orifice 103, over the greater part of the length of the body 83.
L’organe de chauffage électrique 101 comporte également une partie de raccordement 107, située à l’extérieur du corps 83. La partie de chauffage active 105 est raccordée électriquement à une source de courant, qui peut être la pile à combustible 3, à travers la partie de raccordement 107.The electric heater 101 also comprises a connection part 107, located outside the body 83. The active heating part 105 is electrically connected to a current source, which may be the fuel cell 3, through the connection part 107.
Les parties de tube 77, 79 sont agencées en un cercle autour de la partie de chauffage active 105. Le chignon constitué par les parties intermédiaires 81 est agencé en couronne autour de la partie de chauffage active 105.The tube parts 77, 79 are arranged in a circle around the active heating part 105. The bun formed by the intermediate parts 81 is arranged in a crown around the active heating part 105.
Le fluide caloporteur est typiquement de l’eau, comportant de préférence un antigel.The heat transfer fluid is typically water, preferably including an antifreeze.
Le circuit de fluide caloporteur 7, comme illustré sur la
Le circuit de refroidissement de pile 11 présente quant à lui une entrée de refroidissement 115 et une sortie de refroidissement 117. L’entrée de vase 113 est raccordée fluidiquement à la sortie de refroidissement 117.The cell cooling circuit 11 has a cooling inlet 115 and a cooling outlet 117. The vessel inlet 113 is fluidically connected to the cooling outlet 117.
Le circuit de fluide caloporteur 7 comporte encore un organe de circulation de fluide caloporteur 119, ayant une aspiration 121 raccordée fluidiquement la sortie de vase 111 et un refoulement 123 raccordé fluidiquement à l’entrée de fluide caloporteur 95 du côté de circulation de fluide caloporteur 35 de l’échangeur de chaleur 27.The heat transfer fluid circuit 7 further comprises a heat transfer fluid circulation member 119, having a suction 121 fluidly connected to the vessel outlet 111 and a discharge 123 fluidly connected to the heat transfer fluid inlet 95 on the heat transfer fluid circulation side 35 of the heat exchanger 27.
L’organe de circulation de fluide caloporteur 119 est typiquement une pompe, de tout type adapté.The heat transfer fluid circulation member 119 is typically a pump, of any suitable type.
Le circuit de fluide caloporteur 7 comporte encore un organe d’orientation 125 ayant une entrée 127 raccordé fluidiquement à la sortie de fluide caloporteur 97 du côté de circulation de fluide caloporteur 35 de l’échangeur de chaleur 27. L’organe d’orientation 125 comporte encore une première sortie 129 raccordée fluidiquement à l’entrée de vase 113, et une seconde sortie 131 raccordée fluidiquement à l’entrée de refroidissement 115 du circuit de refroidissement de pile 11.The heat transfer fluid circuit 7 further comprises an orientation member 125 having an inlet 127 fluidly connected to the heat transfer fluid outlet 97 on the heat transfer fluid circulation side 35 of the heat exchanger 27. The orientation member 125 further comprises a first outlet 129 fluidically connected to the vase inlet 113, and a second outlet 131 fluidically connected to the cooling inlet 115 of the cell cooling circuit 11.
L’organe d’orientation 125 est configuré pour raccorder fluidiquement l’entrée 127 sélectivement à la première sortie 129 ou à la seconde sortie 131.The orientation member 125 is configured to fluidically connect the inlet 127 selectively to the first outlet 129 or to the second outlet 131.
L’organe d’orientation 125 est typiquement une vanne trois voies.The orientation member 125 is typically a three-way valve.
Par ailleurs, comme illustré sur la
L’ensemble 1 comporte également un contrôleur 135. Le contrôleur 135 pilote au moins l’organe de chauffage électrique 101 et l’organe d’orientation 125, en fonction d’informations reçus du ou des calculateurs de bord du véhicule.Set 1 also includes a controller 135. Controller 135 controls at least electric heating unit 101 and orientation unit 125, depending on information received from the on-board computer(s) of the vehicle.
Le contrôleur 135 est notamment configuré pour sélectivement :The controller 135 is in particular configured to selectively:
- Activer l’organe de chauffage électrique 101 et raccorder fluidiquement l’entrée 127 de l’organe d’orientation à la première sortie 129 ou ;- Activate the electric heater 101 and fluidically connect the inlet 127 of the orientation device to the first outlet 129 or;
- Arrêter l’organe de chauffage électrique 101 et raccorder fluidiquement l’entrée 127 de l’organe d’orientation 125 à la seconde sortie 131.- Stop the electric heating device 101 and fluidically connect the inlet 127 of the orientation device 125 to the second outlet 131.
Une vanne 137 est intercalée entre la sortie d’hydrogène 33 et l’entrée de gaz anodique 133.A valve 137 is inserted between the hydrogen outlet 33 and the anode gas inlet 133.
Le fonctionnement l’ensemble 1 va maintenant être décrit.The operation of set 1 will now be described.
En fonctionnement normal de la pile à combustible 3, l’hydrogène gazeux remplissant le ciel 66 du réservoir intérieur 13 pénètre dans le conduit interne 65 à travers les orifices 67.In normal operation of the fuel cell 3, the hydrogen gas filling the headspace 66 of the inner tank 13 enters the internal pipe 65 through the orifices 67.
La pression d’hydrogène dans le réservoir intérieur 13 est réglée par le biais d’un organe de chauffage non représenté configuré pour chauffer l’hydrogène liquide stocké dans le réservoir intérieur 13.The hydrogen pressure in the inner tank 13 is regulated by means of a heater not shown configured to heat the liquid hydrogen stored in the inner tank 13.
L’hydrogène gazeux s’écoule du conduit interne 65 au conduit coudé 69, puis à travers le conduit externe 55. Il est réchauffé en traversant le conduit externe 55, par rayonnement thermique à partir du tube 45. Les gouttelettes d’hydrogène liquide éventuellement entrainées avec l’hydrogène gazeux sont évaporées au cours du passage à travers le conduit externe 55.The gaseous hydrogen flows from the internal pipe 65 to the elbow pipe 69, then through the external pipe 55. It is heated by crossing the external pipe 55, by thermal radiation from the tube 45. The droplets of liquid hydrogen possibly entrained with the hydrogen gas are evaporated during the passage through the outer pipe 55.
Si une quantité importante de liquide est entrainée dans le conduit interne 65 et constitue un bouchon se déplaçant le long du conduit externe 55, le déplacement de ce bouchon est arrêté quand il atteint le tronçon intermédiaire 61. Du fait de l’élargissement de la section de passage à ce niveau, le gaz propulsant le bouchon de liquide peut buller à travers le liquide et s’échapper, de telle sorte que ce bouchon est bloqué au niveau du tronçon intermédiaire 61. Il est réchauffé par rayonnement thermique et se vaporise.If a large quantity of liquid is entrained in the internal duct 65 and constitutes a plug moving along the external duct 55, the movement of this plug is stopped when it reaches the intermediate section 61. Due to the widening of the section passing through this level, the gas propelling the plug of liquid can bubble through the liquid and escape, so that this plug is blocked at the level of the intermediate section 61. It is heated by thermal radiation and vaporizes.
L’hydrogène gazeux sort du conduit externe 55 à travers l’orifice complémentaire 41, et pénètre dans l’échangeur de chaleur 27 par l’orifice d’entrée d’hydrogène 31.The hydrogen gas leaves the external conduit 55 through the additional orifice 41, and enters the heat exchanger 27 through the hydrogen inlet 31.
Il pénètre directement dans le collecteur de distribution d’hydrogène 73. A partir de ce collecteur, il est distribué dans les tubes 71 de circulation d’hydrogène. Il parcourt les tubes 71 jusqu’au collecteur de sortie 75. A la sortie des tubes 71, l’hydrogène gazeux est à une température proche de 0°C (pour éviter la création d’un bloc de glace), la température possiblement et transitoirement pouvant atteindre un minimum de l’ordre de - 40° C.It enters directly into the hydrogen distribution manifold 73. From this manifold, it is distributed into the hydrogen circulation tubes 71. It runs through the tubes 71 as far as the outlet manifold 75. At the outlet of the tubes 71, the gaseous hydrogen is at a temperature close to 0° C. (to avoid the creation of a block of ice), the temperature possibly and temporarily being able to reach a minimum of the order of - 40° C.
L’hydrogène, dans son parcours depuis le volume de stockage 15 jusqu’à la sortie d’hydrogène 33, n’est jamais en contact avec une surface baignée par l’air ambiant. En effet, le conduit externe 55 est isolé de l’air ambiant par le tube 45. Le collecteur de distribution d’hydrogène 73 est isolé de l’air ambiant par la double enveloppe 93. Les tubes 71 sont isolés de l’air ambiant grâce au liquide de refroidissement contenu dans le corps 83.The hydrogen, in its journey from the storage volume 15 to the hydrogen outlet 33, is never in contact with a surface bathed in ambient air. Indeed, the external pipe 55 is isolated from the ambient air by the tube 45. The hydrogen distribution manifold 73 is isolated from the ambient air by the double envelope 93. The tubes 71 are isolated from the ambient air thanks to the coolant contained in the body 83.
Ainsi, tout risque de liquéfaction de l’air au contact de l’hydrogène est écarté.Thus, any risk of air liquefaction in contact with hydrogen is avoided.
Le fluide caloporteur est refoulé par l’organe de circulation 119 jusqu’à l’entrée de fluide caloporteur 95. Il s’écoule dans la double enveloppe 93 puis à l’intérieur du corps 83 jusqu’à la sortie de fluide caloporteur 97. Il cède sa chaleur à l’hydrogène gazeux circulant dans les tubes 71.The heat transfer fluid is pushed back by the circulation device 119 as far as the heat transfer fluid inlet 95. It flows into the double jacket 93 then inside the body 83 as far as the heat transfer fluid outlet 97. It gives up its heat to the hydrogen gas circulating in the tubes 71.
En fonctionnement normal de la pile à combustible 3, le contrôleur 135 maintient l’organe de chauffage électrique 101 inactif et pilote l’organe d’orientation 125 de manière à raccorder fluidiquement l’entrée 127 à la seconde sortie 131. Le fluide caloporteur sortant de l’échangeur de chaleur 27 circule ainsi jusqu’à l’entrée de refroidissement 115 du circuit de refroidissement de pile 11.In normal operation of the fuel cell 3, the controller 135 maintains the electric heating device 101 inactive and controls the orientation device 125 so as to fluidically connect the inlet 127 to the second outlet 131. The outgoing heat transfer fluid of the heat exchanger 27 thus circulates to the cooling inlet 115 of the cell cooling circuit 11.
Le fluide caloporteur circule ensuite à l’intérieur de la pile à combustible 3 jusqu’à la sortie de refroidissement 117. Il est réchauffé par la chaleur généré par la pile à combustible 3.The heat transfer fluid then circulates inside the fuel cell 3 as far as the cooling outlet 117. It is heated by the heat generated by the fuel cell 3.
A partir de la sortie de refroidissement 117, il circule jusqu’à l’entrée 113 du vase d’expansion 109, puis à partir la sortie 111 du vase d’expansion 109 jusqu’à l’aspiration 121 de l’organe de circulation de fluide caloporteur 119.From the cooling outlet 117, it circulates to the inlet 113 of the expansion tank 109, then from the outlet 111 of the expansion tank 109 to the suction 121 of the circulation device of coolant 119.
Au démarrage du véhicule, plus précisément au démarrage de la pile à combustible 3, cette pile à combustible 3 ne peut pas fournir, au circuit de fluide caloporteur 7, une quantité de chaleur suffisante pour réchauffer l’hydrogène.When the vehicle is started, more precisely when the fuel cell 3 is started, this fuel cell 3 cannot provide the heat transfer fluid circuit 7 with a quantity of heat sufficient to heat the hydrogen.
Dans ce cas, le contrôleur 135 active l’organe de chauffage électrique 101, et contrôle l’organe d’orientation 125 de manière à raccorder fluidiquement l’entrée 127 à la première sortie 129. Le fluide caloporteur sortant de l’échangeur de chaleur 27 par la sortie de fluide caloporteur 97 est orienté directement par un organe d’orientation 125 jusqu’à l’entrée de vase 113, sans passer à travers la pile à combustible 3.In this case, the controller 135 activates the electric heating device 101, and controls the orientation device 125 so as to fluidically connect the inlet 127 to the first outlet 129. The coolant leaving the heat exchanger 27 through the heat transfer fluid outlet 97 is oriented directly by an orientation member 125 to the vessel inlet 113, without passing through the fuel cell 3.
Il circule ensuite directement à partir de la sortie de vase 111 jusqu’à l’aspiration de l’organe de circulation 119 puis à l’entrée de fluide caloporteur 95.It then circulates directly from the vase outlet 111 to the suction of the circulation device 119 then to the heat transfer fluid inlet 95.
L’hydrogène circulant à l’intérieur de l’échangeur de chaleur 27 est réchauffé par la chaleur cédé par l’organe de chauffage électrique 101.The hydrogen circulating inside the heat exchanger 27 is heated by the heat released by the electric heater 101.
Le contrôleur 135 commande le retour à la marche normal décrite plus haut par exemple après une certaine durée de fonctionnement de la pile à combustible 3, ou quand la pile à combustible 3 a atteint une température suffisante, ou sur la base de tout autre critère adapté.The controller 135 commands the return to normal operation described above, for example after a certain period of operation of the fuel cell 3, or when the fuel cell 3 has reached a sufficient temperature, or on the basis of any other suitable criterion. .
Le dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène 5 et l’ensemble 1 décrit ci-dessus présente de multiples avantages.The hydrogen storage and supply device 5 and the assembly 1 described above has multiple advantages.
Comme indiqué plus haut, l’hydrogène très froid provenant du volume de stockage n’est jamais en contact avec une paroi baignée par l’air ambiant, de tel sorte que les risques de liquéfaction de l’air ambiant sont éliminés.As indicated above, the very cold hydrogen coming from the storage volume is never in contact with a wall bathed by ambient air, so that the risks of liquefaction of the ambient air are eliminated.
L’existence d’un tronçon intermédiaire élargi dans le conduit externe contribue à éviter le primage, c’est-à-dire contribue à éviter l’arrivée d’hydrogène liquide à l’entrée de l’échangeur. Cet échangeur fonctionne uniquement en phase gazeuse, ce qui simplifie considérablement la conception de l’échangeur et son fonctionnement. Quelques petites gouttelettes d’hydrogène peuvent s’y introduire mais cet échangeur n’est pas un évaporateur, c’est-à-dire qu’il n’est pas dimensionné pour évaporer 100 % un flux constitué d’hydrogène liquide.The existence of a widened intermediate section in the external conduit helps to avoid priming, i.e. helps to prevent the arrival of liquid hydrogen at the inlet of the exchanger. This exchanger works only in the gas phase, which considerably simplifies the design of the exchanger and its operation. A few small droplets of hydrogen can enter it, but this exchanger is not an evaporator, i.e. it is not sized to evaporate 100% of a flow consisting of liquid hydrogen.
Le tronçon intermédiaire élargi permet d’éviter le fonctionnement en caloduc. L’effet caloduc est un échange rapide entre une phase liquide et une phase gazeuse d’un même produit, le gaz transitant par l’intérieur du tube, la phase liquide étant accrochée à la paroi. La verticalité du tronçon intermédiaire contribue à rendre l’effet caloduc peu possible. Le fait d’avoir un élargissement de section brutal et important section va avoir un impact négatif sur le transit de la phase liquide sur la paroi et sur l’écoulement du gaz au centre.The widened intermediate section avoids operation as a heat pipe. The heat pipe effect is a rapid exchange between a liquid phase and a gaseous phase of the same product, the gas transiting through the interior of the tube, the liquid phase being attached to the wall. The verticality of the intermediate section contributes to making the heat pipe effect unlikely. The fact of having a sudden and significant section widening will have a negative impact on the transit of the liquid phase on the wall and on the flow of gas in the center.
Par ailleurs, le conduit d’alimentation de l’échangeur de chaleur en hydrogène, et l’échangeur de chaleur lui-même, contiennent un volume connu d’hydrogène gazeux, qui peut être considéré comme un volume tampon. Lors d’un arrêt de la pile à combustible, il n’y a plus de consommation d’hydrogène. Il est nécessaire alors de s’assurer que, pendant cet arrêt, il n’y a pas d’échange entre l’hydrogène gazeux et l’hydrogène liquide, qui pourrait congeler l’échangeur et liquéfier l’air ambiant. L’existence du conduit externe en vis-à-vis du tube permet d’éviter un tel effet. Le volume tampon est un séparateur qui va éviter le fait qu’un segment de liquide ne soit poussé par du gaz. Il est ainsi possible d’éviter d’implanter en amont de l’échangeur de chaleur une vanne cryogénique, extrêmement coûteuse à fabriquer. La vanne 137 isolant la sortie d’hydrogène de l’échangeur de chaleur de l’entrée de gaz anodique est implantée après l’échangeur de chaleur, dans la zone de température normal. Elle est donc beaucoup moins coûteuse qu’une vanne cryogénique. C’est bien l’ensemble du tronçon et particulièrement le fait qu’il soit totalement ou tout au moins partiellement vertical qui permet de créer ce tampon stable. L’hydrogène liquide, du fait de la gravité, restera dans la partie basse, la partie gazeuse se concentrant dans la partie haute. Le tronçon sera complètement gazeux du fait des transferts thermiques important entre le conduit externe et le tube. Le gaz sera thermiquement stratifié, la partie la plus chaude en partie haute ; le gaz étant très isolant.Furthermore, the hydrogen heat exchanger supply pipe, and the heat exchanger itself, contain a known volume of hydrogen gas, which can be considered as a buffer volume. When the fuel cell is shut down, there is no more hydrogen consumption. It is then necessary to ensure that, during this shutdown, there is no exchange between gaseous hydrogen and liquid hydrogen, which could freeze the exchanger and liquefy the ambient air. The existence of the external duct opposite the tube makes it possible to avoid such an effect. The buffer volume is a separator that will prevent a segment of liquid from being pushed by gas. It is thus possible to avoid installing a cryogenic valve, which is extremely expensive to manufacture, upstream of the heat exchanger. The valve 137 isolating the hydrogen outlet of the heat exchanger from the anode gas inlet is located after the heat exchanger, in the normal temperature zone. It is therefore much less expensive than a cryogenic valve. It is indeed the whole of the section and particularly the fact that it is totally or at least partially vertical which makes it possible to create this stable buffer. The liquid hydrogen, due to gravity, will remain in the lower part, the gaseous part concentrating in the upper part. The section will be completely gaseous due to significant heat transfer between the external pipe and the tube. The gas will be thermally stratified, the hottest part at the top; the gas being very insulating.
Le fait que le conduit externe soit placé au-dessus du réservoir externe, dans une orientation sensiblement verticale, contribue à limiter l’arrivée d’hydrogène liquide à l’entrée de l’échangeur de chaleur.The fact that the external pipe is placed above the external tank, in a substantially vertical orientation, contributes to limiting the arrival of liquid hydrogen at the inlet of the heat exchanger.
Le fait que le conduit interne soit logé dans le ciel du volume de stockage contribue à limiter le risque que du liquide soit entrainé vers l’échangeur de chaleur.The fact that the internal duct is housed in the top of the storage volume helps to limit the risk of liquid being drawn into the heat exchanger.
Le fait que le conduit interne soit sensiblement horizontal et s’étende sur la plus grande partie de la longueur du réservoir interne, permet également d’éviter la formation de bouchon de liquide à l’intérieur du conduit d’alimentation, notamment lors de mouvements du liquide à l’intérieur du volume de stockage dus à des freinages ou des accélérations.The fact that the internal duct is substantially horizontal and extends over the greater part of the length of the internal reservoir also makes it possible to avoid the formation of a liquid plug inside the supply duct, in particular during movements liquid inside the storage volume due to braking or acceleration.
Claims (11)
- un réservoir interne (13), délimitant intérieurement un volume de stockage (15) destiné à stocker de l’hydrogène liquide ;
- un réservoir externe (17) à l’intérieur duquel est agencé le réservoir interne (13), un espace intermédiaire (19) séparant le réservoir interne (13) du réservoir externe (17) ;
- une isolation thermique (21) interposée entre le réservoir interne (13) et le réservoir externe (17) ;
- un échangeur de chaleur (27), comportant un côté (29) de circulation d’hydrogène pourvu d’une entrée d’hydrogène (31) et d’une sortie d’hydrogène (33) et un côté de circulation d’un fluide caloporteur (35) ;
- un tube (45) placé hors du réservoir externe (17) et raccordant mécaniquement l’échangeur de chaleur (27) au réservoir externe (17) ;
- un conduit (53) d’alimentation de l’échangeur de chaleur (27) en hydrogène, comprenant un conduit externe (55) ayant un tronçon amont (57) raccordé fluidiquement au volume de stockage (15), et un tronçon aval (59) raccordé fluidiquement à l’entrée d’hydrogène (31), le conduit externe (55) s’étendant à l’intérieur du tube (45) sans contact avec le tube (45).Device for storing and supplying hydrogen, the device (5) comprising:
- an internal tank (13), internally delimiting a storage volume (15) intended to store liquid hydrogen;
- an outer reservoir (17) inside which the inner reservoir (13) is arranged, an intermediate space (19) separating the inner reservoir (13) from the outer reservoir (17);
- thermal insulation (21) interposed between the internal tank (13) and the external tank (17);
- a heat exchanger (27), comprising a hydrogen circulation side (29) provided with a hydrogen inlet (31) and a hydrogen outlet (33) and a circulation side with a heat transfer fluid (35);
- a tube (45) placed outside the external tank (17) and mechanically connecting the heat exchanger (27) to the external tank (17);
- a conduit (53) for supplying the heat exchanger (27) with hydrogen, comprising an outer conduit (55) having an upstream section (57) fluidly connected to the storage volume (15), and a downstream section ( 59) fluidly connected to the hydrogen inlet (31), the outer conduit (55) extending inside the tube (45) without contact with the tube (45).
- une pile à combustible (3) ayant un circuit de gaz anodique (9) pourvu d’une entrée de gaz anodique (133) et un circuit de refroidissement de pile (11) ayant une entrée de refroidissement (115) et une sortie de refroidissement (117) ;
- un dispositif de stockage et d’alimentation en hydrogène (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes, la sortie d’hydrogène (33) du côté de circulation d’hydrogène (29) de l’échangeur de chaleur (27) étant raccordée fluidiquement à l’entrée de gaz anodique (133) ;
- un circuit de fluide caloporteur (7) comprenant :
* un vase d’expansion (109) ayant une sortie de vase (111) et une entrée de vase (113) raccordée fluidiquement à la sortie de refroidissement (117),
* un organe de circulation de fluide caloporteur (119) ayant une aspiration (121) raccordée fluidiquement à la sortie de vase (111), et un refoulement (123) raccordé fluidiquement à une entrée de fluide caloporteur (95) du côté de circulation de fluide caloporteur (35) de l’échangeur de chaleur (27), et
* un organe d’orientation (125) ayant une entrée (127) raccordée fluidiquement à une sortie de fluide caloporteur (97) du côté de circulation de fluide caloporteur (35) de l’échangeur de chaleur (27), une première sortie (129) raccordée fluidiquement à l’entrée de vase (113) et une seconde sortie (131) raccordée fluidiquement à l’entrée de refroidissement (115) du circuit de refroidissement de pile (11), l’organe d’orientation (125) étant configuré pour raccorder fluidiquement l’entrée (127) sélectivement à la première sortie (129) ou à la seconde sortie (131).Set including:
- a fuel cell (3) having an anode gas circuit (9) provided with an anode gas inlet (133) and a cell cooling circuit (11) having a cooling inlet (115) and a cooling (117);
- a hydrogen storage and supply device (5) according to any one of the preceding claims, the hydrogen outlet (33) on the hydrogen circulation side (29) of the heat exchanger (27) being fluidly connected to the anode gas inlet (133);
- a heat transfer fluid circuit (7) comprising:
* an expansion vessel (109) having a vessel outlet (111) and a vessel inlet (113) fluidically connected to the cooling outlet (117),
* a coolant fluid circulation member (119) having a suction (121) fluidically connected to the vessel outlet (111), and a discharge (123) fluidically connected to a coolant fluid inlet (95) on the circulation side of the coolant (35) of the heat exchanger (27), and
* an orientation member (125) having an inlet (127) fluidically connected to a heat transfer fluid outlet (97) on the heat transfer fluid circulation side (35) of the heat exchanger (27), a first outlet ( 129) fluidically connected to the vessel inlet (113) and a second outlet (131) fluidically connected to the cooling inlet (115) of the cell cooling circuit (11), the orientation member (125) being configured to fluidly connect the inlet (127) selectively to the first outlet (129) or the second outlet (131).
- activer l’organe de chauffage électrique (101) et raccorder fluidiquement l’entrée (127) de l’organe d’orientation (125) à la première sortie (129) ; ou
- arrêter l’organe de chauffage électrique (101) et raccorder fluidiquement l’entrée (127) de l’organe d’orientation (125) à la seconde sortie (131).Assembly according to Claim 10, in which the heat exchanger (27) comprises an electric heater (101) arranged to electrically heat the hydrogen, the assembly (1) comprising a controller (135) configured to selectively:
- activate the electric heater (101) and fluidically connect the inlet (127) of the orientation member (125) to the first outlet (129); Or
- stop the electric heater (101) and fluidically connect the inlet (127) of the orientation member (125) to the second outlet (131).
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