FR3135253A1 - Dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour aéronef. - Google Patents

Dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour aéronef. Download PDF

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Abstract

Dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour aéronef, qui consiste à maintenir l’hydrogène sous forme liquide le plus longtemps possible, puis à l’évaporer et/ou récupérer l’évaporation « naturelle », en utilisant le refroidissement de cette vaporisation au cœur du liquide restant dans le réservoir interne (1), pour le transférer sous forme exclusivement gazeuse aux moteurs et/ou les piles à combustible. Le dispositif s’adapte aux réservoirs et/ou aux lignes de plusieurs réservoirs cryogéniques, y compris ceux utilisant un fluide d’inertage et de pressurisation comme l’hélium, en retardant le mélange entre l’hydrogène gazeux et le fluide d’inertage, pour garantir la fiabilité du fonctionnement des moteurs en utilisant le maximum de capacité du ou des reservoirs. Figure pour l’abrégé : [Fig 2]

Description

Dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour aéronef.
Dans le cadre des réservoirs et des systèmes de distribution embarqués de carburants cryogéniques sur les aéronefs, une des difficultés consiste à gérer la partie du fluide cryogénique qui s’évapore et devient gazeuse sous l’effet des entrées de chaleur du système. Cette évaporation sous l’effet des entrées de chaleur extérieure sera dénommée « évaporation naturelle » dans la suite du texte. Lorsque le réservoir est fermé et étanche, ce changement de phase s’accompagne d’une forte montée de la pression par expansion du gaz au regard de la même masse de liquide. Ce point est encore plus critique lorsque le fluide cryogénique est de l’hydrogène, caractérisé par une grande instabilité et une forte réactivité avec l’oxygène.
La première action conduit donc à limiter lesdites entrées de chaleur par des réservoirs et des canalisations très bien isolés thermiquement. Mais ceci n’est pas suffisant, la seconde solution consiste à mettre en place un refroidisseur avec une source froide externe dont la température est inférieure à la température de vaporisation de l’hydrogène (20K). Mais une telle installation qui vise à refroidir la totalité du fluide cryogénique liquide est gazeux est complexe, d’une puissance conséquente est alourdi l’engin sur lequel elle est installée.
Par ailleurs, l’évaporation d’une partie de l’hydrogène liquide dans un système isolé provoque un refroidissement du liquide, proportionnel à l’enthalpie du changement de phase. De surcroît, il est plus simple d’alimenter les moteurs, turbomoteurs, turbopropulseurs, turboréacteurs et même les piles à combustible avec de l’hydrogène gazeux, que de l’hydrogène liquide, qui devra de toute façon se vaporiser durant la combustion. D’autre part, l’énergie nécessaire à recondenser le gaz en liquide et très supérieure à celle nécessaire à sa compression en vue de son transfert et de son injection. Il existe donc un réel intérêt à proposer de l’hydrogène directement sous forme gazeuse aux différents moteurs, y compris dans les canalisations d’alimentations de carburant autour des parties chaudes desdits moteurs.
Mais le stockage et la distribution de l’hydrogène sous forme gazeuse nécessitent des pressions, des volumes et des sections de passage largement plus conséquent que sous forme liquide, ce qui rend cette solution exclusivement gazeuse difficilement « avionable ».
Par ailleurs les injections multiphases (liquide et gazeuse dans la même canalisation) sont souvent complexes à mettre en œuvre et à gérer, particulièrement lorsque les débits, les pressions et les températures peuvent avoir de grandes amplitudes.
La présente invention consiste donc à concevoir un dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour un aéronef qui consiste à maintenir l’hydrogène sous forme liquide le plus loin de la source et le pluslongtemps possible, puis à l’évaporer, en récupérant le refroidissement de cette vaporisation au cœur du liquide restant dans le réservoir interne, pour le transférer sous forme gazeuse aux moteurs ou aux piles à combustible.
Comme le montre la , le dispositif comprend un réservoir cryogénique composé d’un réservoir interne (1) et d’une enveloppe extérieure (2). Ce réservoir est le dernier réservoir liquide dans la ligne de distribution, il peut être raccordé à d’autres réservoirs. L’hydrogène gazeux (GH2) issu de l’évaporation « naturelle » liée aux entrées de chaleur est prélevé sur la partie haute du réservoir interne et évacué au travers du circuit (3). Il existe un circuit d’alimentation spécifique d’hydrogène (4) prélevant de l’hydrogène liquide (LH2) dans la partie basse du réservoir interne et comportant un évaporateur (5) avec ou sans détendeur (27). Les circuits (3) et (4) se rejoignent et passe dans un décanteur (18) qui pourra également jouer le rôle de filtre. Par décanteur, il faut entendre ici, un petit volume de stabilisation dont la sortie située vers le haut est positionnée à l’opposé de l’entrée, et qui permet avec ou sans apport de chaleur de l’extérieur de s’assurer que l’hydrogène est entièrement gazeux à la sortie. Le décanteur peut jouer également le rôle de vase d’expansion.
À la sortie du décanteur, l’hydrogène est aspiré et comprimé par un ou une série de compresseurs (6), générant une dépression d’aspiration à son amont et une surpression dans le circuit aval qui lui alimente un réservoir d’hydrogène gazeux sous pression (7). Si la dépression générée à l’aval du compresseur n’est pas suffisante une pompe à vide sera insérée entre l’évaporateur est la vanne de sortie (9) du circuit (4). Le réservoir (7) assure le rôle d’une capacité qui évite des démarrages intempestifs du compresseur, et alimente en carburant le moteur (8). Par moteur, il faut entendre ici, un ou des moteurs alternatifs, ou turbomoteurs, ou turboréacteurs, ou piles à combustibles associés à un ou des moteurs électriques, ou toutes les hybridations de ce type de motorisation, ainsi que tous les accessoires possibles, alternateurs, puissance hydraulique et/ou pneumatique, prise de force, prélèvement d’air ou autres. Si le moteur n’est pas à proprement parler le propulseur, il peut alimenter une hélice. De même le moteur peut alimenter/recharger une ou plusieurs batteries.
Lorsque l’aéronef est au parking et que l’évaporation « naturelle » de l’hydrogène dépasse les besoins énergétiques de l’avion, les moteurs et/ou le ou les groupes auxiliaires de puissance (APU) peuvent consommer cet hydrogène et fournir de l’énergie aux installations sol, par exemple via le circuit électrique sol, un transformateur (28) et un compteur électrique pour comptabiliser l’énergie fournie. Le dispositif de distribution d’hydrogène prévoit également un système de purge par un gaz d’inertage des canalisations d’alimentation du ou des moteurs afin de sécuriser l’ensemble. Ce système se compose soit d’un réservoir (10) d’azote (N2) liquide ou gazeux sous pression, soit d’une alimentation directe du moteur au travers d’une fabrication continue de type OBIGGS (On Board Inert Gas Generation System) via le circuit (11).
Pour les arrêts moteurs de courte durée, le dispositif prévoit la purge uniquement du circuit d’injection final du carburant par l’ouverture de la vanne (12). Pour les arrêts prolonger, le système prévoit également la purge du ou des compresseurs et réservoirs de stockage d’hydrogène gazeux par l’intermédiaire du circuit (13) et de la vanne (14). Le dispositif prévoit aussi un certain nombre de soupape de sécurité visant à protéger les différents réservoirs, organes et canalisations, comme par exemple la soupape (15) permet la protection du réservoir interne (1).
Le dispositif peut également être complété par un système refroidisseur et/ou réchauffeur (16) dans le réservoir interne (1) et/ou d’une ou de plusieurs canalisations de prélèvement (17) d’hydrogène liquide. Un ou des échangeurs thermiques hydrogène/air ou hydrogène/huile, placés dans le décanteur (18) et/ou sur le circuit amont et/ou aval du compresseur (6) et/ou ou à l’intérieur du réservoir d’hydrogène gazeux, permettent à la fois de réchauffer l’hydrogène avant son injection dans le moteur et de refroidir le moteur soit par l’intermédiaire d’un refroidissement d’un prélèvement d’air réinjecté dans les aubes de turbine, soit plus classiquement par le refroidissement du circuit d’huile.
Lorsque le réservoir cryogénique du dispositif décrit ci-dessus utilise un gaz d’inertage pour remplacer l’hydrogène consommé, par exemple tel que décrit dans la demande de brevet FR2011805 « Réservoir de stockage de carburant, muni d’un système de protection et de maintien en température et pression », ou qu’il soit alimenté par un ou des réservoirs cryogéniques de ce type, le risque est important que le fluide d’inertage, dans ce cas l’hélium sous forme gazeuse, se mélange à l’hydrogène gazeux dit fruit de l’évaporation « naturelle » dans la partie haute du réservoir interne (1).
Dans cette situation, il serait douteux d’alimenter le moteur ou la pile à combustible par ce mélange d’hélium et d’hydrogène gazeux aussi bien pour la stabilité du fonctionnement du moteur, ainsi que la consommation de cet hélium qui est initialement destiné à être recyclé. La première solution consiste à insérer sur le circuit (3) un système de perméation sélective sous forme de membranes semi-perméables, l’hydrogène poursuivant sa route suivant le circuit (3) vers le décanter (18) et l’hélium étant réintroduit dans le réservoir interne.
Mais l’hélium et le dihydrogène étant de taille proche, cette solution devient délicate lorsque le mélange contient une majorité d’hélium à la fin du réservoir. Une autre solution consiste à retarder le mélange de l’hélium et de l’hydrogène gazeux, en créant un labyrinthe (26) ouvert aux deux extrémités sur deux points hauts, qui permette de toujours maintenir de l’hydrogène liquide entre l’hélium gazeux et l’hydrogène gazeux. Mais à la fin du labyrinthe l’hélium gazeux se mélangera à l’hydrogène gazeux, cette solution conduit donc à réduire la capacité opérationnelle du réservoir.
Une solution définitive consiste à réintroduire par le circuit (19) le mélange de l’hélium et de l’hydrogène évaporé naturellement dans le réservoir interne (1) par l’intermédiaire d’un cryoréfrigérateur (20) dont la température minimale de fonctionnement sera comprise entre 15K et 20 K. Ainsi l’hydrogène gazeux se condense pour redevenir liquide et se dépose par gravité au fond du réservoir interne (1) et l’hélium reste gazeux et s’installe sur la partie haute du réservoir. L’hélium et l’hydrogène en provenance du cryoréfrigérateur retournant à une température inférieure à celle du réservoir interne (1), ils contribuent également à refroidir son contenu et recondenser une partie de l’hydrogène évaporé naturellement.
La présente un dispositif complet, qui permet d’associer les différentes technologies associées ci-avant. Dans un premier temps le réservoir cryogénique consomme une partie de l’hydrogène sans apport extérieur ni d’hélium ni d’hydrogène liquide en provenance d’un autre réservoir. Une légère surpression dans le réservoir interne est maintenue par « l’évaporation naturelle », laquelle s’accentue quand le réservoir interne baisse en pression. Ce mode de fonctionnement est maintenu le plus longtemps possible. Lorsqu’il n’est plus possible de maintenir la pression dans le réservoir interne (1), le système effectue un apport en hydrogène liquide d’un réservoir situé en aval ou/et en hélium gazeux.
L’hélium ou le mélange hélium/hydrogène ou l’hydrogène liquide injecté dans le réservoir interne (1) par la canalisation (21) pénètre dans le labyrinthe (26) ou l’hydrogène liquide « tombe » tandis que l’hélium gazeux « monte » et pousse l’hydrogène liquide du réservoir interne (1) qui lui-même pousse l’hydrogène gazeux évaporé de manière « naturelle » vers sa sortie sur le circuit (22) . Le circuit (4) dit « alimentation spécifique d’hydrogène » reste inchangé par rapport au descriptif de la et fourni le complément de la demande de carburant par rapport au circuit (22) dit d’hydrogène gazeux « naturel ».
Le circuit (22) d’hydrogène gazeux « naturel » diffère du circuit (3) de la . En effet il comporte un détecteur d’hélium (23) capable de piloter une vanne 3 voies (24). Lorsque le détecteur d’hélium détecte une présence nulle ou faible d’hélium, la vanne ferme le circuit (19) et l’hydrogène gazeux « naturel » quasi pur poursuit son chemin par le circuit (3) pour un fonctionnement identique à celui de la .
Lorsque le détecteur de présence d’hélium détecte la présence d’une quantité suffisante d’hélium dans l’hydrogène gazeux « naturel », il commande la fermeture de la vanne (24) et dévie le mélange dans le circuit (19) qui comprend un compresseur (25) et le cryoréfrigérateur (20) puis retourne dans le réservoir interne (1) tel que décrit ci-avant. Le moteur est alors alimenté exclusivement par le circuit (4). La solution technique du labyrinthe (26) est généralisable à chacun des réservoirs cryogéniques, susceptibles de recevoir simultanément de l’hydrogène ou de l’hélium, de la totalité de la ligne de distribution d’hydrogène liquide.
Dans le cas où le système prévoit un inertage des réservoirs, des circuits et des composants en contact avec l’hydrogène liquide par de l’hélium, et un inertage pour les parties « chaudes » en contact avec de l’hydrogène gazeux par de l’azote. En cas de défaillance du circuit d’inertage à l’azote, il sera possible d’utiliser le circuit d’hélium en secours.
Le dispositif peut être piloté en fonction de la ou des demandes de carburant par le ou les moteurs, en actionnant les diverses vannes et organes des circuits, de manière à maintenir l’ensemble du système dans son mode de fonctionnement normal. Ce système pourra prendre la forme d’un FADHyCC (Full Authority Digital Hydrogen Cryogenic Control), tel que décrit dans les demandes de brevet FR2102182 & FR2202841 « Dispositif à pleine autorité de contrôle, de gestion et de pilotage pour installation de stockage embarqué de carburant ou de fluide cryogénique ». Pour satisfaire les exigences de sécurité et/ou de certification, les divers circuits et les différents organes pourront être redondants, voir multiredondants pour fiabiliser les installations.
Le dispositif tel que décrit pour la distribution d’hydrogène pour les aéronefs peut facilement s’adapter à d’autres engins des secteurs routiers, ferroviaires, maritimes ou autres.

Claims (14)

  1. Dispositif de stockage et de distribution d’hydrogène pour alimenter un ou des moteurs (8) et/ou une ou des piles à combustible, comprenant :
    • au moins un réservoir cryogénique embarqué incluant une enveloppe extérieure (2) et un réservoir interne (1) dans lequel est présent de l’hydrogène liquide LH2 et de l’hydrogène gazeux GH2, l’hydrogène gazeux étant le fruit de l’évaporation « naturelle » d’une partie de l’hydrogène liquide ;
    • un circuit (3) d’évacuation de l’hydrogène gazeux « naturelle » ;
    • une soupape de sécurité (15) protégeant le réservoir interne (1) ;
    caractérisé par le fait que la distribution de l’hydrogène pour alimenter le moteur est totalement gazeuse, et se décompose en deux circuits, un circuit (3) dit d’hydrogène gazeux naturel et un circuit (4) dit alimentation spécifique qui prélève de l’hydrogène liquide dans la partie basse du réservoir interne (1) et l’évapore dans un évaporateur (5) avec ou sans détendeur (27), lequel évaporateur (5) est positionné à l’intérieur du réservoir interne (1).
  2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu’il est interposé entre l’évaporateur (5) et la vanne (9) une pompe à vide favorisant l’évaporation dans l’évaporateur (5).
  3. Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les deux circuits (3) et (4) se rejoignent, passent dans un décanteur (18) et alimentent via un compresseur (6) un réservoir d’hydrogène gazeux (7) qui alimente un moteur (8).
  4. Dispositif suivant les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu’un ou des échangeurs thermiques Hydrogène/Air et/ou Hydrogène/Huile situés dans le décanteur (18) et/ou à l’intérieur du réservoir d’hydrogène gazeux (7) et/ou sur le circuit amont et/ou aval au compresseur (6), permettent d’une part de réchauffer l’hydrogène et d’autre part de refroidir le ou les moteurs et/ou leurs accessoires.
  5. Dispositif suivant les revendications 1 et 4, caractérisé par le fait qu’il existe un réservoir d’azote N2 (10) ou un circuit (11) pour l’inertage des circuits d’hydrogène gazeux à l’extérieur du réservoir cryogénique.
  6. Dispositif suivant les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que lorsque l’engin est à l’arrêt et le moteur connecté électriquement aux infrastructures sol, la pression issue de l’évaporation « naturelle » de l’hydrogène dans le réservoir interne (1), est pilotée démarrant le ou les moteurs et via des alternateurs et/ou des transformateurs (28) ou une/des piles à combustible, fournissent de l’électricité au réseau.
  7. Dispositif suivant les revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le réservoir interne (1) est alimenté via le circuit (21) par un ou des réservoirs contenant de l’hydrogène liquide et/ou de l’hydrogène gazeux et/ou de l’hélium, ou tout mélange de ces substances.
  8. Dispositif suivant les revendications de 1 à 7, caractérisé par le fait qu’il est inséré entre l’évaporateur (5) et le décanteur (18), un système de perméation sélective, capable de séparer l’hélium et l’hydrogène gazeux.
  9. Dispositif selon les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu’il est inséré dans le réservoir interne (1), une structure de labyrinthe (26) étanche et ouverte aux deux extrémités, utilisant le principe d’Archimède, cherchant à stratifier le flux pour retarder le panachage entre l’hydrogène évaporé pur et l’hélium ou le mélange hydrogène/hélium.
  10. Dispositif suivant les revendications de 1 à 9, caractérisé par le fait que l’hydrogène évaporé naturellement dans le réservoir interne (1) est réintroduit au travers du circuit (19) par l’intermédiaire d’un compresseur (25) et d’un cryoréfrigérateur (20) dont la température minimale permet de condenser tout ou partie de l’hydrogène gazeux en maintenant l’hélium gazeux.
  11. Dispositif suivant les revendications de 1 à 10, caractérisé par le fait qu’il existe sur le circuit (22) à la sortie du réservoir interne (1) un capteur de présence et/ou de concentration d’hélium (23) qui pilote une vanne 3 voies (24), laquelle distribue l’hydrogène gazeux vers le moteur lorsque sa pureté est suffisante, puis le réoriente vers le réservoir interne (1) par le circuit (19) via le compresseur (25) et le cryoréfrigérateur (20) si le taux d’hélium est trop élevé.
  12. Dispositif suivant les revendications de 1 à 11, caractérisé par le fait que les différents réservoirs, circuits et composants sont redondants et/ou substituables.
  13. Dispositif suivant les revendications de 1 à 12, caractérisé par le fait que le dispositif est piloté en fonction de la ou des demandes de carburant du ou des moteurs, en actionnant les divers vannes et organes de manière à maintenir et/ou à revenir dans un mode de fonctionnement normal.
  14. Utilisation d’un dispositif selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que le ou les circuits de stockage et de distribution d’hydrogène pour alimenter un ou des moteurs sont utilisés pour alimenter les motorisations dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins.
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