WO2014091128A1 - Pyrotechnic process for providing very highly pure hydrogen and associated device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a pyrotechnic process for providing hydrogen of very high purity. Said method is advantageously used to power fuel cells, portable or onboard. The present invention also relates to a device suitable for implementing said method.
- the ignition device generally consists of an igniter, in connection with the user system, via a sealed passage supporting the operating pressure, and possibly at least one ignition relay charge.
- the process of the invention is advantageously triggered by mechanical stress.
- One mode of operation of the device 20 of the invention is specified, by way of example, hereinafter.
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Abstract
Description
Procédé pyrotechnique de mise à disposition d'hydrogène de très grande pureté et dispositif associé Pyrotechnic method for providing very high purity hydrogen and associated device
La présente invention a pour objet un procédé pyrotechnique de mise à disposition d'hydrogène de très grande pureté. Ledit procédé est avantageusement mis en œuvre pour alimenter des piles à combustible, portables ou embarquées. La présente invention a également pour objet un dispositif convenant à la mise en œuvre dudit procédé. The present invention relates to a pyrotechnic process for providing hydrogen of very high purity. Said method is advantageously used to power fuel cells, portable or onboard. The present invention also relates to a device suitable for implementing said method.
L'invention trouve tout particulièrement application dans le contexte de l'alimentation en hydrogène de piles à combustible de faible et moyenne puissances (1 à 100 watts), utilisées dans les domaines aéronautiques et militaires, telles celles équipant les drones et celles équipant les fantassins. Les puissances électriques visées dans ce contexte sont environ dix fois supérieures aux puissances consommées par les appareils électriques portables, tels que les téléphones portables. Le domaine d'application de l'invention peut être étendu à des piles à combustible embarquées de plus forte puissance, de quelques dizaines de kilowatts, utilisées, par exemple, pour l'alimentation de générateurs électriques de secours aéronautique. The invention is particularly applicable in the context of the hydrogen supply of low and medium power (1 to 100 watts) fuel cells, used in the aeronautical and military fields, such as those equipping the drones and those equipping the infantrymen . The electrical powers targeted in this context are about ten times greater than the powers consumed by portable electrical appliances, such as mobile phones. The scope of the invention can be extended to onboard fuel cells of higher power, a few tens of kilowatts, used, for example, for the supply of aeronautical emergency power generators.
Les piles à combustible sont des sources d'énergie électrique alternatives apportant une réponse aux nouvelles exigences énergétiques et environnementales. Les piles à combustible présentent un potentiel de densité énergétique embarquée au moins 4 fois supérieur à celui des batteries au lithium. Elles ne rejettent pas de gaz à effet de serre. Fuel cells are alternative sources of electrical energy that provide a response to new energy and environmental requirements. Fuel cells have a potential energy density on board at least 4 times higher than that of lithium batteries. They do not release greenhouse gases.
La production d'hydrogène pour alimenter en fuel des piles à combustible est donc un problème technique d'actualité, objet de nombreuses recherches. The production of hydrogen to fuel fuel cells is therefore a technical problem of topicality, object of many researches.
Il a déjà été décrit des procédés de production d'hydrogène par craquage d'hydrocarbures, par thermolyse (décomposition thermique en absence d'oxydant) d'hydrures et par hydrolyse d'hydrures. Processes have already been described for the production of hydrogen by cracking hydrocarbons, thermolysis (thermal decomposition in the absence of oxidant) of hydrides and hydrolysis of hydrides.
Une autre voie développée est basée sur l'utilisation de matériaux solides pyrotechniques générateurs d'hydrogène par combustion. Elle permet de s'affranchir du problème de stockage permanent de fluide (liquide ou gazeux). Elle est particulièrement intéressante dans la mesure où lesdits matériaux présentent une grande stabilité en conditions de stockage et une grande simplicité d'emploi. De tels matériaux solides pyrotechniques générateurs d'hydrogène ont notamment été décrits dans les demandes brevet EP 1 249 427, EP 1 405 823, EP 1 405 824, EP 1 496 035 et EP 2 265 545. Ils se présentent sous la forme de blocs, de pastilles, de disques ou de grains. Leur composition renferme généralement un composant réducteur hydrogéné de type hydrure inorganique, borazane ou polymère de l'aminoborane (polyaminoborane) et un composant oxydant inorganique. Leur combustion génère, avec un bon rendement (~ 11 à 13 % théorique en masse, soit ~ 70 mole/kg), de l'hydrogène. Leur température de combustion (~ 800 K), non excessive (voir plus loin), est suffisamment élevée pour que la réaction soit auto-entretenue après l'allumage. La combustion auto-entretenue de ces matériaux est favorisée par la mise en pression dans la chambre de combustion. De tels matériaux produisent du gaz hydrogéné, à forte teneur en hydrogène, renfermant au moins 70 % en volume d'hydrogène. Another developed route is based on the use of pyrotechnic solid materials generating hydrogen by combustion. It makes it possible to overcome the problem of permanent storage of fluid (liquid or gaseous). It is particularly interesting insofar as said materials have a high stability in storage conditions and great simplicity of use. Such pyrotechnic solid materials generating hydrogen have in particular been described in patent applications EP 1 249 427, EP 1 405 823, EP 1 405 824, EP 1 496 035 and EP 2 265 545. They are in the form of blocks. , pellets, discs or grains. Their composition generally contains a hydrogenated reducing component of inorganic hydride, borazane or polymeric type of aminoborane (polyaminoborane) and an inorganic oxidizing component. Their combustion generates, with a good yield (~ 11 to 13% theoretical mass, ie ~ 70 mole / kg), hydrogen. Their combustion temperature (~ 800 K), not excessive (see below), is high enough that the reaction is self-sustaining after ignition. The self-sustaining combustion of these materials is favored by the pressurization in the combustion chamber. Such materials produce hydrogenated gas with a high hydrogen content, containing at least 70% by volume of hydrogen.
Les gaz alimentant une pile à combustible doivent être exempts, ou pour le moins renfermer des taux extrêmement faibles, d'espèces, telles CO, NH3, C et H2S, susceptibles d'empoisonner le catalyseur de ladite pile. Lesdits gaz doivent aussi être à des températures adéquates (inférieures à 473 K, idéalement inférieures à 350 K à ce jour, pour ménager la membrane de la pile) et à des surpressions faibles (idéalement de quelques millibars jusqu'à 5 bars) par rapport à la pression ambiante (atmosphérique). Enfin, le taux de particules desdits gaz doit être faible. The gases fueling a fuel cell must be free, or at least contain extremely low levels, of species, such as CO, NH 3 , C and H 2 S, which can poison the catalyst of said battery. These gases must also be at suitable temperatures (less than 473 K, ideally less than 350 K so far, to spare the cell membrane) and at low overpressures (ideally from a few millibars to 5 bars) compared to at ambient (atmospheric) pressure. Finally, the particle content of said gases must be low.
En référence à un tel cahier des charges, la composition des matériaux solides pyrotechniques générateurs d'hydrogène est en principe optimisée pour générer le moins possible de telles espèces gazeuses poisons pour (le catalyseur de) la pile (en tout état de cause, les gaz hydrogénés produits par ces matériaux sont toujours susceptibles de contenir, à faible taux, des espèces poisons pour la pile et il est opportun de les purifier pour délivrer à ladite pile un hydrogène de pureté supérieure à 99,9 % en volume, afin de garantir sa durée de vie) et pour brûler à une température modérée (il est toujours souhaitable d'abaisser la température des gaz hydrogénés, produits par la combustion de ces matériaux à une température d'environ 800 K (voir ci-dessus), pour délivrer à la pile un hydrogène à une température inférieure à 473 K, idéalement inférieure à 350 K). Les gaz hydrogénés produits par la combustion desdits matériaux sont aussi opportunément filtrés pour piéger les particules solides qu'ils véhiculent (particules qui n'ont pas été retenues dans la gangue résultant de la combustion). Les filtres utilisés pour le piégeage desdites particules solides comprennent par exemple un agencement d'une ou plusieurs grilles métalliques ondulées ou un agencement d'éléments métalliques présentant des pores (de quelques millimètres à quelques nanomètres de diamètre). With reference to such specifications, the composition of pyrotechnic solid materials hydrogen generators is in principle optimized to generate the least possible such gaseous species poisons for (the catalyst) the battery (in any case, the gases hydrogenated products produced by these materials are always likely to contain, at low rates, poison species for the cell and it is appropriate to purify them to deliver to said cell a hydrogen of purity greater than 99.9% by volume, to guarantee its life) and to burn at a moderate temperature (it is always desirable to lower the temperature of the hydrogenated gases produced by the combustion of these materials to a temperature of about 800 K (see above), to deliver to the battery a hydrogen at a temperature lower than 473 K, ideally less than 350 K). Hydrogenated gases produced by the combustion of said materials are also conveniently filtered to trap the solid particles they carry (particles that have not been retained in the gangue resulting from combustion). The filters used for trapping said solid particles comprise, for example, an arrangement of one or more corrugated metal grids or an arrangement of metallic elements having pores (of a few millimeters to a few nanometers in diameter).
La demande de brevet FR 2 906 805 décrit un procédé de mise à disposition d'hydrogène non pressurisé qui s'inscrit dans la voie précisée ci-dessus. Ledit procédé comprend la combustion, à haute pression, d'au moins un chargement pyrotechnique solide dans au moins une chambre de combustion, ladite combustion générant de l'hydrogène et le débit dudit hydrogène généré dans au moins un réservoir de plus grand volume. Ce document n'aborde pas vraiment le problème technique de la purification de l'hydrogène généré. Il n'aborde pas non plus le problème technique de la gestion de la température dudit hydrogène généré. The patent application FR 2 906 805 describes a method for providing non-pressurized hydrogen which is in the way specified above. Said method comprises the combustion, at high pressure, of at least one solid pyrotechnic charge in at least one combustion chamber, said combustion generating hydrogen and the flow rate of said hydrogen generated in at least one tank of larger volume. This document does not really address the technical problem of purification of generated hydrogen. Nor does it address the technical problem of managing the temperature of said generated hydrogen.
Par ailleurs, l'homme du métier connaît les dispositifs de filtration de gaz utilisant des adsorbants en zéolithe de type A (3A, 4A, 5A) ou X ou Y. Pour la définition de ces types de zéolithe, on peut se référer au chapitre 22 du « Handbook of Zeolithe Science and Technology », publié le 31 juillet 2003 par CRC Press et au chapitre 10 de l'ouvrage : « Le raffinage du pétrole: Procédés de séparation », éditions OPHRYS, 1998. Furthermore, those skilled in the art are familiar with gas filtration devices using zeolite adsorbents of type A (3A, 4A, 5A) or X or Y. For the definition of these types of zeolite, reference may be made to the chapter 22 of the "Handbook of Zeolite Science and Technology", published on July 31, 2003 by CRC Press and in Chapter 10 of the book: "Petroleum Refining: Processes of Separation", OPHRYS editions, 1998.
Le brevet US 2 882 243 décrit ainsi des zéolithes synthétiques de type A adaptées à la filtration de gaz. La demande de brevet FR 2 232 511 décrit quant à elle l'utilisation de zéolithes de type 5A pour la purification de gaz contenant des espèces de type C02 et N2. La demande de brevet US 2007/084979 mentionne la purification au travers d'une membrane de type tamis moléculaire d'un gaz hydrogéné généré par hydrolyse d'un hydrure ou par thermolyse d'un hydrure. La membrane en cause peut être en un métal tel le palladium, en un polymère tel le polypropylène ou en une céramique, telle une zéolithe. Ce document de l'art antérieur ne fournit aucun enseignement sur la gestion des paramètres de fonctionnement des membranes citées, notamment au vu de la température du gaz hydrogéné généré (les membranes de palladium fonctionnant à chaud tandis que les zéolithes fonctionnent à température ambiante). US Pat. No. 2,882,243 thus describes synthetic A-type zeolites suitable for gas filtration. The patent application FR 2 232 511 describes the use of type 5A zeolites for the purification of gases containing type C0 2 and N 2 species. US patent application 2007/084979 mentions the purification through a molecular sieve membrane of a hydrogenated gas generated by hydrolysis of a hydride or by thermolysis of a hydride. The membrane in question may be made of a metal such as palladium, a polymer such as polypropylene or a ceramic, such as a zeolite. This document of the prior art does not provide any teaching on the management of the operating parameters of the membranes mentioned, especially in view of the temperature of the hydrogenated gas generated (the palladium membranes operating hot while zeolites operate at room temperature).
Les filtres adsorbants en zéolithe de séparation de l'hydrogène sont en effet efficaces, particulièrement efficaces, lorsque la température des gaz à filtrer est proche de la température ambiante (typiquement entre 293 K à 323 K) et que la pression des gaz à filtrer n'excède pas quelques bars (que ladite pression est typiquement de 1,5 à 5 bars). Au vu de cet état de fait, il existait donc un réel préjugé à associer génération pyrotechnique de gaz (de gaz chauds, sous pression) et purification desdits gaz sur filtres adsorbants en zéolithe. The adsorbent filters in zeolite hydrogen separation are indeed effective, particularly effective, when the temperature of the gases to be filtered is close to the ambient temperature (typically between 293 K to 323 K) and that the pressure of the gases to be filtered n does not exceed a few bars (that said pressure is typically 1.5 to 5 bar). In view of this state of affairs, there was therefore a real prejudice to associate pyrotechnic generation of gas (hot gases, under pressure) and purification of said gases on zeolite adsorbent filters.
Il est du mérite des inventeurs de proposer, à l'encontre de ce préjugé, un procédé de mise à disposition d'hydrogène de grande pureté, basé sur cette association, particulièrement intéressant, notamment en ce que sa mise en œuvre délivre ledit hydrogène de grande pureté directement à des température et pression convenant à son utilisation pour alimenter une pile à combustible et en ce que le dispositif convenant à cette mise en œuvre, ni complexe, ni d'un encombrement important, est parfaitement adapté à des systèmes portables ou embarqués. It is the merit of the inventors to propose, against this prejudice, a method for providing high purity hydrogen, based on this association, which is particularly advantageous, in particular in that its implementation delivers said hydrogen from high purity directly at temperatures and pressure suitable for use in supplying a fuel cell and in that the device suitable for this implementation, neither complex nor of a large size, is perfectly suitable for portable or embedded systems .
En référence au problème technique général de la mise à disposition (à la demande) d'hydrogène de très grande pureté, convenant tout particulièrement à l'alimentation en hydrogène de piles à combustible, la Demanderesse propose donc une solution performante. Cette solution est donc basée sur la combustion d'au moins un chargement pyrotechnique solide générateur de gaz hydrogéné (gaz hydrogéné renfermant un taux substantiel d'hydrogène), puis la filtration, au travers d'un filtre adsorbant en zéolithe, d'au moins une partie du gaz hydrogéné généré (généralement du gaz hydrogéné généré). Cette solution s'analyse en termes de procédé et de dispositif. With reference to the general technical problem of the provision (on demand) of very high purity hydrogen, particularly suitable for supplying hydrogen to fuel cells, the Applicant proposes a high-performance solution. This solution is therefore based on the combustion of at least one solid pyrotechnic charge generating hydrogenated gas (hydrogenated gas containing a substantial level of hydrogen), then the filtration, through a zeolite adsorbent filter, of at least a part of the hydrogenated gas generated (generally hydrogenated gas generated). This solution is analyzed in terms of process and device.
Selon son premier objet, la présente invention concerne donc un procédé pyrotechnique de mise à disposition d'hydrogène de très grande pureté. Ledit procédé comprend : According to its first object, the present invention therefore relates to a pyrotechnic process for providing hydrogen of very high purity. Said method comprises:
- la combustion d'au moins un chargement pyrotechnique solide générateur de gaz hydrogéné pour la production d'un gaz hydrogéné, chaud, sous pression, renfermant au moins 70 % en volume d'hydrogène ; - le refroidissement d'au moins une partie dudit gaz hydrogéné, chaud, sous pression, produit puis la détente de ladite au moins une partie dudit gaz hydrogéné refroidie ; et the combustion of at least one solid pyrotechnic charge generating hydrogenated gas for the production of a hydrogen gas, hot, under pressure, containing at least 70% by volume of hydrogen; - cooling at least a portion of said hydrogen gas, hot, under pressure, then produces the expansion of said at least a portion of said hydrogenated gas cooled; and
- la purification de ladite au moins une partie dudit gaz hydrogéné refroidie et détendue par passage au travers d'un filtre adsorbant en zéolithe pour obtenir, au sortir dudit filtre, un gaz hydrogéné renfermant au moins 99,99 % en volume d'hydrogène. - Purifying said at least a portion of said hydrogenated gas cooled and expanded by passing through a zeolite adsorbent filter to obtain, at the outlet of said filter, a hydrogenated gas containing at least 99.99% by volume of hydrogen.
La combustion du au moins un chargement pyrotechnique est déclenchée, de façon per se connue, par le système utilisateur dès l'apparition du besoin opérationnel en énergie. Elle génère, de façon connue per se, au sein de la(chaque) chambre de combustion renfermant le(un) chargement pyrotechnique, du gaz hydrogéné, chaud (~ 800 K, voir ci-dessus), à haute pression (la pression de fonctionnement de la au moins une chambre de combustion est généralement entre 106 Pa et 107 Pa (entre 10 et 100 bars)). Plusieurs chargements pyrotechniques (identiques ou non, généralement identiques), agencés chacun dans une chambre de combustion, peuvent être allumés simultanément ou séquentiellement selon la demande en hydrogène. Le(s) chargement(s) pyrotechnique(s) utilisé(s) convient(conviennent) pour générer un gaz hydrogéné renfermant au moins 70 % en volume d'hydrogène. On donne plus avant dans le présent texte des précisions sur de tels chargements. Le gaz hydrogéné généré est délivré, chaud, sous pression (généralement à une pression inférieure ou égale à 10 bars, plus généralement à une pression de quelques bars), au sortir de la chambre de combustion dans laquelle il a été généré, chaud, à haute pression. L'homme du métier sait régler la superficie de l'orifice de délivrance (voire des orifices de délivrance, si la chambre de combustion concernée en possède plusieurs) du gaz pour régler la pression et le débit de délivrance dudit gaz. The combustion of the at least one pyrotechnic charge is triggered, per se known, by the user system as soon as the operational energy requirement appears. It generates, in a manner known per se, within the (each) combustion chamber containing the (a) pyrotechnic charge, hydrogenated gas, hot (~ 800 K, see above), at high pressure (the pressure of operation of the at least one combustion chamber is generally between 10 6 Pa and 10 7 Pa (between 10 and 100 bar)). Several pyrotechnic charges (identical or not, generally identical), each arranged in a combustion chamber, can be ignited simultaneously or sequentially according to the hydrogen demand. The pyrotechnic charge (s) used are suitable for generating a hydrogenated gas containing at least 70% by volume of hydrogen. This text gives further details on such loads. The hydrogenated gas generated is delivered, hot, under pressure (generally at a pressure of less than or equal to 10 bar, more generally at a pressure of a few bars), at the exit of the combustion chamber in which it has been generated, hot, at high pressure. The person skilled in the art knows how to adjust the area of the delivery orifice (or even the delivery ports, if the combustion chamber concerned has more than one) of the gas to regulate the pressure and the rate of delivery of said gas.
Dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de l'invention, au moins une partie du gaz hydrogéné généré pyrotechniquement est purifiée par passage au travers d'un filtre adsorbant en zéolithe. Il convient de comprendre qu'au moins une partie du gaz hydrogéné délivré est passée au travers d'un tel filtre, quel que soit l'agencement exact des chambre(s) de combustion (en fonctionnement) présentes et filtre(s) présent(s). Ainsi, il est notamment possible qu'une unique chambre de combustion débite dans un unique filtre ou dans plusieurs filtres agencés en parallèle, que n chambres de combustion soient reliées à un unique filtre ou que chacune des n chambres soit reliée à un filtre.... On a par ailleurs mentionné « un » filtre mais on comprend aisément qu'il ne saurait être exclu du cadre de l'invention une purification mise en œuvre successivement sur au moins deux filtres agencés en série. En tout état de cause, dans le cadre du procédé de l'invention, au moins une partie du gaz hydrogéné produit pyrotechniquement est purifié par passage au travers d'(au moins) un filtre adsorbant en zéolithe. Pour la simplification de la description du procédé de l'invention, on parle ci-après d'un tel filtre. On a indiqué qu'au moins une partie du gaz hydrogéné généré pyrotechniquement est ainsi purifiée. En général, la totalité du gaz hydrogéné généré pyrotechniquement est ainsi purifiée mais il ne saurait être exclu du cadre de la présente invention qu'une partie du gaz hydrogéné généré pyrotechniquement ne soit pas orientée pour purification vers le filtre adsorbant en zéolithe mais utilisée à une autre fin (à d'autres fins). In the context of the implementation of the process of the invention, at least a portion of the pyrotechnically generated hydrogenated gas is purified by passage through a zeolite adsorbent filter. It should be understood that at least a portion of the hydrogenated gas delivered has passed through such a filter, irrespective of the exact arrangement of the combustion chamber (s) (in operation) present and filter (s) present ( s). Thus, it is possible in particular that a single combustion chamber delivers in a single filter or in several arranged filters in parallel, that n combustion chambers are connected to a single filter or that each of the n chambers is connected to a filter .... We also mentioned "a" filter but it is easy to understand that it can not be excluded from In the context of the invention, purification is carried out successively on at least two filters arranged in series. In any case, in the context of the process of the invention, at least a portion of the hydrogenated gas produced pyrotechnically is purified by passing through (at least) a zeolite adsorbent filter. For the sake of simplification of the description of the process of the invention, reference is hereinafter made to such a filter. It has been reported that at least a portion of the pyrotechnically generated hydrogen gas is thus purified. In general, the totality of the hydrogenated gas generated pyrotechnically is thus purified but it can not be excluded from the scope of the present invention that part of the pyrotechnically generated hydrogenated gas is not oriented for purification to the adsorbent filter in zeolite but used at a lower temperature. other purpose (for other purposes).
Le filtre adsorbant en zéolithe (naturelle ou synthétique) utilisé dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de l'invention (pour purifier le gaz hydrogéné produit, de façon originale, pyrotechniquement) est du type de ceux de l'art antérieur, utilisés pour purifier des gaz hydrogénés. Il s'agit avantageusement d'un filtre adsorbant en zéolithe synthétique de type A, très avantageusement de type 5A. The adsorbent filter in zeolite (natural or synthetic) used in the context of the implementation of the process of the invention (for purifying the hydrogenated gas produced, in an original manner, pyrotechnically) is of the type of those of the prior art, used to purify hydrogenated gases. It is advantageously a adsorbent filter synthetic zeolite type A, very advantageously type 5A.
En référence à l'efficacité des filtres adsorbants en zéolithe de séparation de l'hydrogène (voir ci-dessus), on comprend que du gaz hydrogéné généré pyrotechniquement selon l'invention, i.e. chaud et sous pression (voir ci-dessus), ne peut être débité directement au travers d'un tel filtre. Ainsi, dans le cadre du procédé de l'invention, une partie du (voire la totalité du) gaz hydrogéné produit (pyrotechniquement), chaud, sous pression, est successivement refroidie et détendue avant sa purification. Ces refroidissement et détente, mis en œuvre en amont de la purification (en référence aux conditions de fonctionnement du filtre adsorbant en zéolithe utilisé pour ladite purification), sont également opportuns en ce qu'ils assurent du même coup, la délivrance, au sortir dudit filtre, d'un gaz convenant pour alimenter une pile à hydrogène, i.e. d'un gaz non seulement d'une très grande pureté (il renferme au moins 99,99 % en volume d'hydrogène) mais aussi à une température proche de la température ambiante (typiquement entre 293 K à 323 K ) et à une pression d'au maximum 5.105 Pa (5 bars). With reference to the effectiveness of the adsorbent filters in zeolite for separating hydrogen (see above), it is understood that pyrotechnically generated hydrogenated gas according to the invention, ie hot and under pressure (see above), does not can be charged directly through such a filter. Thus, in the context of the process of the invention, part of the (or all) hydrogenated gas produced (pyrotechnically), hot, under pressure, is successively cooled and relaxed before purification. These cooling and expansion, implemented upstream of the purification (with reference to the operating conditions of the adsorbent filter in zeolite used for said purification), are also appropriate in that they ensure at the same time, the delivery, out of said filter, a gas suitable for supplying a hydrogen cell, ie a gas not only of very high purity (it contains at least 99.99% by volume of hydrogen) but also at a temperature close to the ambient temperature (typically between 293 K to 323 K) and at a pressure of at most 5.10 5 Pa (5 bar).
Dans le cadre de la mise en œuvre du procédé de l'invention, au moins une partie (voire la totalité) du gaz hydrogéné produit pyrotechniquement (chaud, sous pression) est donc successivement : In the context of the implementation of the process of the invention, at least a portion (or all) of the hydrogenated gas produced pyrotechnically (hot, under pressure) is therefore successively:
- refroidie, avantageusement refroidie à une température comprise entre 293 K et 323 K (en étant mise en circulation dans un échangeur thermique en forme de serpentin, par exemple) ; puis cooled, advantageously cooled to a temperature between 293 K and 323 K (being circulated in a coil-shaped heat exchanger, for example); then
- détendue, à une pression d'au maximum 5.105 Pa (5 bars), généralement entre 1,5.105 Pa et 5.105 Pa (entre 1,5 et 5 bar) (en utilisant, par exemple, un détendeur et régulateur de débit), - at a pressure of at most 5.10 5 Pa (5 bar), generally between 1.5 × 10 5 Pa and 5 × 10 5 Pa (between 1.5 and 5 bar) (using, for example, a regulator and regulator of debit),
avant de rentrer en contact avec le filtre adsorbant en zéolithe (avant d'être purifiée à l'aide du filtre adsorbant en zéolithe). before coming into contact with the zeolite adsorbent filter (before being purified using the zeolite adsorbent filter).
Ces deux étapes successives de refroidissement et de détente sont généralement mises en œuvre sur tout le gaz hydrogéné produit pyrotechniquement mais, comme indiqué ci-dessus, un prélèvement d'une partie du gaz hydrogéné généré pyrotechniquement (non destinée à être purifiée selon l'invention) n'est pas exclu du cadre de l'invention. These two successive stages of cooling and expansion are generally carried out on all the hydrogenated gas produced pyrotechnically but, as indicated above, a portion of the hydrogenated gas generated pyrotechnically (not intended to be purified according to the invention ) is not excluded from the scope of the invention.
Selon une variante de mise en œuvre du procédé de l'invention, la au moins une partie du gaz hydrogéné produit, après avoir été refroidie, est stockée sous pression, de façon intermédiaire, avant d'être détendue. Elle est ainsi stockée avant d'être détendue puis délivrée, à débit constant ou à la demande, au filtre adsorbant en zéolithe. Le stockage intermédiaire de gaz hydrogéné produit et refroidi augmente l'amplitude de son refroidissement. According to an alternative embodiment of the process of the invention, the at least part of the hydrogenated gas produced, after having been cooled, is stored under pressure, in an intermediate manner, before being relaxed. It is thus stored before being expanded and then delivered, at a constant rate or on demand, to the adsorbent filter in zeolite. The intermediate storage of hydrogenated gas produced and cooled increases the amplitude of its cooling.
Selon une autre variante de mise en œuvre du procédé de l'invention, qui se cumule avantageusement mais non nécessairement avec la précédente (stockage intermédiaire), la au moins une partie de gaz hydrogéné produit destinée à être purifiée est filtrée (pour la débarrasser au moins en partie des résidus solides de combustion qu'elle renferme) avant de rentrer en contact avec le filtre en zéolite. Une telle filtration est mise en œuvre (de façon conventionnelle (voir l'introduction du présent texte)) en amont de la détente et aussi, avantageusement, en amont du refroidissement. According to another alternative embodiment of the process of the invention, which advantageously accumulates but not necessarily with the previous one (intermediate storage), the at least one portion of hydrogenated gas produced to be purified is filtered (to remove it at less in part of the solid combustion residues it contains) before coming into contact with the zeolite filter. Such filtration is implemented (conventionally (see the introduction to this text)) upstream of the trigger and also, advantageously, upstream of the cooling.
Une mise en œuvre particulièrement avantageuse du procédé de l'invention comprend donc les étapes suivantes : - la combustion d'au moins un chargement pyrotechnique pour produire du gaz hydrogéné chaud sous pression (pendant un temps court), A particularly advantageous implementation of the method of the invention therefore comprises the following steps: the combustion of at least one pyrotechnic charge to produce hot hydrogenated gas under pressure (for a short time),
- la filtration d'au moins une partie dudit gaz hydrogéné, the filtration of at least a portion of said hydrogenated gas,
- le refroidissement de ladite au moins une partie dudit gaz hydrogéné filtrée (notamment par mise en circulation du gaz dans un échangeur thermique), cooling said at least part of said filtered hydrogenated gas (in particular by circulating the gas in a heat exchanger),
- le stockage intermédiaire (sous pression) de ladite au moins une partie dudit gaz hydrogéné filtrée refroidie, intermediate storage (under pressure) of said at least part of said cooled filtered hydrogenated gas,
- la détente de ladite au moins une partie dudit gaz hydrogéné filtrée refroidie puis stockée, et the expansion of said at least part of said filtered hydrogenated gas cooled and then stored, and
- la purification de ladite au moins une partie dudit gaz hydrogéné filtrée refroidie stockée et détendue (i.e. le passage du gaz, en continu ou à la demande, dans un filtre adsorbant en zéolithe, alors qu'il est à une température et une pression adéquates, convenant à la mise en uvre d'une telle purification au travers dudit filtre). the purification of the said at least part of the cooled filtered hydrogenated gas stored and expanded (ie the passage of the gas, continuously or on demand, in a zeolite adsorbent filter, while it is at a suitable temperature and pressure , suitable for carrying out such purification through said filter).
Ces 6 étapes successives sont généralement mises en œuvre avec filtration, refroidissement, stockage, détente et purification de tout le gaz hydrogéné généré pyrotechniquement. These 6 successive steps are generally implemented with filtration, cooling, storage, expansion and purification of all the hydrogenated gas generated pyrotechnically.
Au sortir du filtre, de l'hydrogène de très grande pureté At the end of the filter, very high purity hydrogen
(renfermant au moins 99,99 % en volume d'hydrogène), dans des conditions de température (proches de l'ambiante, voir ci-dessus) et pression (à faible pression, voir ci-dessus) intéressantes, est délivré. Un tel hydrogène convient parfaitement pour alimenter une pile à combustible. (Containing at least 99.99% by volume of hydrogen), under temperature conditions (close to ambient, see above) and pressure (at low pressure, see above) of interest, is issued. Such a hydrogen is ideal for fueling a fuel cell.
On se propose maintenant de donner des précisions sur les chargements pyrotechniques convenant à la mise en œuvre du procédé de l'invention. It is now proposed to give details of the pyrotechnic charges suitable for the implementation of the method of the invention.
Lesdits chargements peuvent consister en des chargements de l'art antérieur, constitués d'au moins un produit de type conventionnel, i.e. de type bloc, disque, pastille, grain... avec une composition de type : composant(s) oxydant(s) inorganique(s) + composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s) (voir l'introduction du présent texte). En tout état de cause, le au moins un chargement pyrotechnique utilisé pour la mise en œuvre du procédé de l'invention est sélectionné pour générer pyrotechniquement un gaz hydrogéné renfermant au moins 70 % en volume d'hydrogène. C'est en effet à partir d'un tel gaz hydrogéné que la purification sur membrane génère l'hydrogène de très grande pureté recherché. Said loadings may consist of loadings of the prior art, consisting of at least one product of conventional type, ie of the block, disc, pellet, grain type ... with a composition of: oxidizing component (s) type (s) ) Inorganic (s) + Hydrogenated Reducing Component (s) (see Introduction to this text). In any event, the at least one pyrotechnic charge used for the implementation of the method of the invention is selected to pyrotechnically generate a hydrogenated gas containing at least 70% by volume of hydrogen. It is indeed from such a hydrogenated gas that purification on membrane generates the hydrogen of very high purity desired.
Conviennent notamment pour la mise en œuvre du procédé de l'invention, les chargements pyrotechniques constitués d'au moins un produit pyrotechnique renfermant, pour au moins 96 % de sa masse, au moins un composant oxydant inorganique et au moins un composant réducteur hydrogéné choisi parmi les hydrures inorganiques, le borazane et les polyaminoboranes. Le au moins un composant oxydant inorganique (généralement un unique composant oxydant inorganique est présent mais la présence d'au moins deux en mélange ne saurait être exclue) et le au moins un composant réducteur hydrogéné spécifique (généralement un unique composant réducteur hydrogéné tel qu'identifié ci-dessus est présent mais la présence d'au moins deux en mélange ne saurait être exclue) représentent donc au moins 96 % en masse (voire au moins 98 % en masse, voire 100 % en masse) de la masse du(des) produit(s) pyrotechnique(s) avantageusement utilisé(s) pour générer, selon l'invention, les gaz de combustion. L'éventuel complément à 100 % est en général constitué d'additifs, type auxiliaires de procédé, de stabilité, de désensibilisation à l'électricité statique (tel Si02) et/ou modificateurs de balistique, de combustion. La présence d'impuretés n'est pas exclue. Particularly suitable for the implementation of the method of the invention, the pyrotechnic charges consist of at least one pyrotechnic product containing, for at least 96% of its mass, at least one inorganic oxidizing component and at least one hydrogenated reducing component selected inorganic hydrides, borazane and polyaminoboranes. The at least one inorganic oxidizing component (generally only one inorganic oxidizing component is present but the presence of at least two in admixture can not be excluded) and the at least one specific hydrogenated reducing component (generally a single hydrogenated reducing component such as identified above is present but the presence of at least two in a mixture can not be excluded) therefore represent at least 96% by weight (or even at least 98% by weight, or even 100% by weight) of the mass of pyrotechnic product (s) advantageously used (s) to generate, according to the invention, the combustion gases. The optional 100% supplement is generally composed of additives, such as process auxiliaries, stability, desensitization with static electricity (such as Si0 2 ) and / or ballistic, combustion modifiers. The presence of impurities is not excluded.
En référence audit au moins un composant réducteur hydrogéné, on peut, de façon nullement limitative, préciser ce qui suit. With reference to said at least one hydrogenated reducing component, it is possible, in no way limiting, to specify the following.
1) Le au moins un hydrure inorganique susceptible d'être présent dans la composition des produits pyrotechniques utilisés est avantageusement un borohydrure, très avantageusement un borohydrure alcalin ou alcalino-terreux. De préférence, ledit au moins un hydrure inorganique est choisi parmi le borohydrure de sodium, de lithium ou de magnésium. Les produits pyrotechniques utilisés dans le procédé de l'invention renferment donc de préférence dans leur composition, comme hydrure organique, NaBH4, LiBH4 ou Mg(BH4)2. 1) The at least one inorganic hydride that may be present in the composition of the pyrotechnic products used is advantageously a borohydride, very advantageously an alkaline or alkaline earth borohydride. Preferably, said at least one inorganic hydride is selected from sodium borohydride, lithium or magnesium. Pyrotechnic products used in the method of the invention therefore preferably contain in their composition, such as organic hydride, NaBH 4, LiBH 4 or Mg (BH 4) 2.
2) Le au moins un composé réducteur hydrogéné consiste toutefois préférentiel lement en le borazane ou un polymère de l'aminoborane (un polyaminoborane). De façon particulièrement préférée, le borazane est l'unique composé réducteur hydrogéné présent dans la composition des produits pyrotechniques utilisés. En référence audit au moins un composant oxydant inorganique, on peut, de façon nullement limitative, préciser ce qui suit. 2) The at least one hydrogenated reducing compound preferably however consists of borazane or a polymer of aminoborane (a polyaminoborane). Particularly preferably, borazane is the only hydrogenated reducing compound present in the composition of the pyrotechnic products used. With reference to said at least one inorganic oxidizing component, it is possible, in no way limiting, to specify the following.
Il est avantageusement choisi parmi ceux utilisés selon l'art antérieur dans le domaine technique des piles à combustible ; i.e. parmi : It is advantageously chosen from those used according to the prior art in the technical field of fuel cells; i.e. among:
- les perchlorates (il consiste très avantageusement en le perchlorate d'ammonium), perchlorates (it very advantageously consists of ammonium perchlorate),
- les dinitroamidures (« dinitramides ») (il consiste très avantageusement en le dinitroamidure d'ammonium), dinitroamides ("dinitramides") (it very advantageously consists of ammonium dinitroamidure),
- les nitrates (il consiste très avantageusement en le nitrate de strontium), et nitrates (it very advantageously consists of strontium nitrate), and
- les oxydes métalliques (il consiste très avantageusement en l'oxyde de fer (Fe2O3), l'oxyde de vanadium (V2O5), l'oxyde d'aluminium (AI2O3), l'oxyde de titane (TiO2), l'oxyde de manganèse (MnO2), de préférence en l'oxyde de fer (Fe2O3)). - metal oxides (particularly preferably it consists of iron oxide (Fe 2 O 3), vanadium oxide (V 2 O 5), aluminum oxide (Al 2 O 3), oxide titanium (TiO 2 ), manganese oxide (MnO 2 ), preferably iron oxide (Fe 2 O 3 )).
Les produits pyrotechniques (constituant les chargements pyrotechniques) utilisés dans le procédé de l'invention renferment donc très avantageusement NH4CIO4, NH4N(NO2)2, Sr(NO3)2 ou Fe2O3. The pyrotechnic products (constituting the pyrotechnic charges) used in the process of the invention therefore very advantageously contain NH 4 CIO 4 , NH 4 N (NO 2 ) 2 , Sr (NO 3 ) 2 or Fe 2 O 3 .
Dans le cadre de cette variante, le(s) produit(s) pyrotechnique(s) utilisé(s) renferme(nt) de préférence dans sa(leur) composition : In the context of this variant, the pyrotechnic product (s) used preferably contains in its (their) composition:
- de 40 à 80 % en masse d'au moins un composant réducteur hydrogéné tel qu'identifié ci-dessus (généralement d'un tel composant réducteur hydrogéné), et from 40 to 80% by weight of at least one hydrogenated reducing component as identified above (generally of such a hydrogenated reducing component), and
- de 20 à 60 % en masse d'au moins un oxydant inorganique (généralement d'un tel oxydant inorganique). from 20 to 60% by weight of at least one inorganic oxidant (generally of such an inorganic oxidant).
Ils renferment, de façon particulièrement préférée : They contain, particularly preferably:
- de 55 à 75 % en masse d'au moins un composant réducteur hydrogéné tel qu'identifié ci-dessus (généralement d'un tel composant réducteur hydrogéné), et from 55 to 75% by weight of at least one hydrogenated reducing component as identified above (generally of such a hydrogenated reducing component), and
- de 25 à 45 % en masse d'au moins un oxydant inorganique from 25 to 45% by weight of at least one inorganic oxidant
(généralement d'un tel oxydant inorganique). (usually such an inorganic oxidant).
Il est, de manière générale, également très avantageux que le(s)dit(s) produit(s) pyrotechnique(s) renferme(nt) plus de 50% en masse de composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s), encore plus avantageux que le(s)dit(s) produit(s) pyrotechnique(s) renferme(nt) plus de 70% en masse de composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s). On a compris que !e(s)dit(s) composant(s) réducteur(s) hydrogéné(s) présent(s) constitue(nt) la réserve d'hydrogène. It is generally also very advantageous for said pyrotechnic product (s) to contain (s) more than 50% by weight of hydrogenated reducing component (s). , even more advantageous that said (s) product (s) pyrotechnic (s) contains (s) more than 70% by weight of hydrogenated reducing component (s). We have understood that said hydrogenated reducing component (s) present constitute (s) the hydrogen reserve.
On rappelle ici, à toutes fins utiles, que ledit au moins un chargement pyrotechnique utilisé pour la génération des gaz hydrogénés est constitué d'au moins un produit pyrotechnique (généralement plusieurs) se présentant sous la forme de grains, de pastilles, de disques ou de blocs. Ces grains, pastilles et blocs ont une forme quelconque, par exemple sphérique, ovoïde ou cylindrique. Les grains ont généralement une masse de quelques milligrammes, les pastilles une masse de quelques dixièmes de grammes à quelques grammes, les disques de quelques dizaines de grammes à quelques centaines de grammes et les blocs d'une centaine de grammes à quelques kilogrammes. It is recalled here, for all practical purposes, that the at least one pyrotechnic charge used for the generation of hydrogenated gases consists of at least one pyrotechnic product (generally several) in the form of grains, pellets, disks or blocks. These grains, pellets and blocks have any shape, for example spherical, ovoid or cylindrical. The grains usually have a mass of a few milligrams, pellets a mass of a few tenths of grams to a few grams, discs of a few tens of grams to a few hundred grams and blocks of a hundred grams to a few kilograms.
Les procédés d'obtention de ces produits pyrotechniques solides sont des procédés connus, décrits notamment dans les demandes de brevet EP identifiées en page 2 du présent texte. The processes for obtaining these solid pyrotechnic products are known methods, described in particular in the EP patent applications identified on page 2 of this text.
On a compris que ledit au moins un chargement pyrotechnique utilisé renferme généralement plusieurs produits pyrotechniques (bien que l'utilisation d'un unique produit, tel un bloc, ne soit nullement exclue). It is understood that said at least one pyrotechnic charge used generally contains several pyrotechnic products (although the use of a single product, such as a block, is not excluded).
Dans un tel contexte, tous les produits constituant ledit au moins un chargement ne présentent pas forcément la même composition (ni la même forme). Ils sont toutefois tous générateurs de gaz hydrogéné au sens de l'invention. In such a context, all the products constituting said at least one load do not necessarily have the same composition (or the same shape). However, they are all generators of hydrogenated gas within the meaning of the invention.
Ledit au moins un chargement pyrotechnique brûle suite à son allumage. Le dispositif d'allumage est généralement constitué d'un allumeur, en liaison avec le système utilisateur, par l'intermédiaire d'un passage étanche supportant la pression de fonctionnement, et éventuellement d'au moins une charge relais d'allumage. Said at least one pyrotechnic charge burns upon ignition. The ignition device generally consists of an igniter, in connection with the user system, via a sealed passage supporting the operating pressure, and possibly at least one ignition relay charge.
Avantageusement, lorsque le système utilisateur le permet, l'allumeur est déclenché par sollicitation mécanique (par exemple au moyen d'un relais piézo-électrique ou d'un percuteur à amorce), afin d'éviter toute consommation superflue d'énergie électrique pour déclencher le système.Advantageously, when the user system allows it, the igniter is triggered by mechanical stress (for example by means of a piezoelectric relay or a primer striker), in order to avoid any unnecessary consumption of electrical energy for trigger the system.
Ainsi, le procédé de l'invention est-il avantageusement enclenché par sollicitation mécanique. Thus, the process of the invention is advantageously triggered by mechanical stress.
Au vu des propos ci-dessus, on comprend que le procédé de l'invention convient tout particulièrement à l'alimentation, en hydrogène de très grande pureté, faiblement pressurisé (quelques millibars à 5 bars), et à une température adéquate (inférieure à 473 K, idéalement inférieure à 350 K, avantageusement entre 293 K et 323 K), de piles à combustible, portables ou embarquées. L'hydrogène de très grande pureté, faiblement pressurisé, à une température proche de l'ambiante, délivré au sortir du filtre zéolithe associé à au moins une chambre de combustion, convient parfaitement à une telle utilisation. L'invention peut en fait tout à fait s'analyser comme un procédé d'alimentation en hydrogène de très grande pureté d'une pile à combustible ; ledit procédé comprenant le procédé pyrotechnique de mise à disposition d'hydrogène de très grande pureté, tel que décrit ci-dessus (incluant une combustion haute pression puis la filtration d'au moins une partie (généralement de la totalité) des gaz hydrogénés produits au travers d'un filtre adsorbant en zéolithe pour la séparation de l'hydrogène gazeux,) suivi de la délivrance dudit hydrogène de très grande pureté à ladite pile à combustible. On doit toutefois incidemment noter que l'hydrogène de très grande pureté, obtenu à la demande par le procédé de l'invention, peut tout à fait être utilisé dans d'autres contextes. In view of the above remarks, it is understood that the process of the invention is particularly suitable for supply, hydrogen very high purity, low pressurized (a few millibars at 5 bar), and at a suitable temperature (less than 473 K, ideally less than 350 K, advantageously between 293 K and 323 K), of fuel cells, portable or on board. Hydrogen of very high purity, low pressure, at a temperature close to ambient, delivered out of the zeolite filter associated with at least one combustion chamber, is ideal for such use. The invention can actually be analyzed as a process for supplying very high purity hydrogen of a fuel cell; said method comprising the pyrotechnic process for providing very high purity hydrogen, as described above (including high pressure combustion and then filtering at least a portion (generally all) of the hydrogenated gases produced at through a zeolite adsorbent filter for the separation of gaseous hydrogen,) followed by the delivery of said hydrogen of very high purity to said fuel cell. It should be noted, however, that the very high purity hydrogen obtained on demand by the process of the invention can be used in other contexts.
Selon son deuxième objet, la présente invention concerne un dispositif pyrotechnique de mise à disposition (à la demande) d'hydrogène de très grande pureté. Ledit dispositif convient à la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus. Il comprend, de façon caractéristique : According to its second object, the present invention relates to a pyrotechnic device for providing (on demand) hydrogen of very high purity. Said device is suitable for implementing the method described above. It includes, typically:
- au moins une chambre de combustion munie d'au moins un orifice de délivrance convenant à l'agencement et à la combustion à haute pression, en son sein, d'un chargement pyrotechnique solide générateur de gaz hydrogéné, ainsi qu'à la délivrance de gaz hydrogéné, chaud, sous pression, via ledit au moins un orifice de délivrance ; at least one combustion chamber provided with at least one delivery orifice that is suitable for the arrangement and the high-pressure combustion, within it, of a solid pyrotechnic charge generating hydrogenated gas, as well as for the delivery hydrogenated gas, hot, under pressure, via said at least one delivery port;
- des moyens de refroidissement de gaz agencés en aval dudit au moins un orifice de délivrance ; gas cooling means arranged downstream of said at least one delivery orifice;
- des moyens de détente de gaz, agencés en aval desdits moyens de refroidissement ; gas expansion means arranged downstream of said cooling means;
- au moins un filtre adsorbant en zéolithe ; at least one zeolite adsorbent filter;
- des moyens de délivrance du gaz purifié, agencés au sortir dudit au moins un filtre adsorbant en zéolithe ; means for delivering the purified gas, arranged at the outlet of said at least one zeolite adsorbent filter;
lesdits chambre(s) de combustion, moyens de refroidissement, moyens de détente et filtre(s) adsorbant(s) en zéolithe étant mis en communication, de sorte que du gaz hydrogéné délivré de la (desdites) chambre(s) de combustion soit dirigé, refroidi et détendu, vers au moins un filtre adsorbant en zéolithe. said combustion chamber (s), cooling means, expansion means and adsorbent filter (s) made of zeolite being placed in communication, so that hydrogenated gas delivered from said chamber (s) of combustion is directed, cooled and expanded to at least one zeolite adsorbent filter.
Le dispositif de l'invention est généralement conçu pour diriger la totalité du gaz généré vers le au moins un filtre mais, comme indiqué ci- dessus, il ne saurait être exclu qu'il renferme des moyens, agencés entre ledit au moins un filtre et ladite au moins une chambre de combustion (plus particulièrement en sortie de la au moins une chambre de combustion), pour dériver une partie dudit gaz généré. The device of the invention is generally designed to direct all the generated gas to the at least one filter but, as indicated above, it can not be ruled out that it contains means arranged between the at least one filter and said at least one combustion chamber (more particularly at the outlet of the at least one combustion chamber) for deriving a portion of said generated gas.
On a déjà compris, à la considération de ce qui précède, que de nombreux agencements des chambre(s) de combustion et filtre(s) adsorbant(s) en zéolithe présents sont possibles, étant entendu qu'au moins une partie du gaz délivré (voire la totalité de celui-ci) doit être purifiée par passage au travers d'au moins un filtre adsorbant en zéolithe. Notons que l'utilisation d'un unique filtre adsorbant en zéolithe en association avec au moins une chambre de combustion est préconisée. It has already been understood, in consideration of the foregoing, that many arrangements of combustion chamber (s) and filter (s) adsorbent (s) zeolite present are possible, it being understood that at least a portion of the gas delivered (or all of it) must be purified by passage through at least one zeolite adsorbent filter. Note that the use of a single zeolite adsorbent filter in combination with at least one combustion chamber is recommended.
Pour ce qui concerne ladite au moins une chambre de combustion, on peut, de façon nullement limitative, indiquer ce qui suit. Ladite au moins une chambre de combustion est per se connue. Elle est généralement constituée d'un ensemble mécanique contenant un dispositif d'allumage ou module d'initiation (un tel module déclenche avantageusement l'allumage par sollicitation mécanique. Un tel module comprend donc avantageusement un relais piézo-électrique ou un percuteur à amorce (voir ci-dessus)), d'un dispositif de maintien du chargement pyrotechnique principal (dont les différents éléments constitutifs (la présence d'un unique bloc est toutefois expressément prévue) peuvent être en vrac ou arrangés, de façon à limiter l'encombrement) et éventuellement d'une pastille pyrotechnique relais d'allumage. Le chargement (qui peut donc être monobloc) est généralement maintenu dans un panier, de sorte que les résidus de combustion se trouvent retenus dans ledit panier (ils y constituent une gangue). Lorsque ledit chargement consiste en plusieurs éléments, ceux-ci se trouvent stabilisés au sein dudit panier. On limite ainsi et l'encombrement et les sollicitations mécaniques desdits éléments en réponse aux vibrations du système. Ladite au moins une chambre de combustion comporte au moins un orifice de délivrance pour la délivrance (sous pression) des gaz générés en son sein (à haute pression). En aval de ladite au moins une chambre de combustion, on trouve des moyens convenant successivement au refroidissement de gaz (lesdits moyens peuvent notamment consister en un échangeur thermique en forme de serpentin) et à la détente de gaz (lesdits moyens peuvent notamment consister en au moins un détendeur et régulateur de débit de gaz (ici gaz de combustion pyrotechniques)). With regard to said at least one combustion chamber, it is possible, in no way limiting, to indicate the following. Said at least one combustion chamber is per se known. It generally consists of a mechanical assembly containing an ignition device or initiation module (such a module advantageously triggers ignition by mechanical biasing, and such a module therefore advantageously comprises a piezoelectric relay or a primer striker ( see above)), a device for maintaining the main pyrotechnic charge (whose various constituent elements (the presence of a single block is however expressly provided for) may be loose or arranged, so as to limit the bulk ) and possibly a pyrotechnic pellet ignition relay. The loading (which can therefore be monoblock) is generally maintained in a basket, so that the combustion residues are retained in said basket (they constitute a gangue). When said loading consists of several elements, they are stabilized within said basket. This limits and the size and the mechanical stresses of said elements in response to the vibrations of the system. Said at least one combustion chamber comprises at least one delivery orifice for the delivery (under pressure) of the gases generated within it (at high pressure). Downstream of said at least one combustion chamber, there are means successively suitable for gas cooling (said means may notably consist of a coil-shaped heat exchanger) and gas expansion (said means may in particular consist of: minus a regulator and gas flow regulator (here pyrotechnic combustion gases)).
Entre lesdits moyens de refroidissement et de détente, il peut être agencé un réservoir, destiné à stocké temporairement les gaz refroidis. Between said cooling and expansion means, there can be arranged a reservoir for temporarily storing the cooled gases.
On a vu par ailleurs que, selon une variante de mise en uvre du procédé, les gaz générés (au moins une partie de ceux-ci) sont filtrés en amont de leur détente, et avantageusement en amont également de leur refroidissement. Le dispositif de l'invention est donc susceptible de comprendre en outre des moyens de filtration convenant à la mise en œuvre d'une telle filtration. De tels moyens peuvent par exemple comprendre, comme indiqué dans l'introduction du présent texte, un agencement d'une ou plusieurs grilles métalliques ondulées ou un agencement d'éléments métalliques présentant des pores (de quelques millimètres à quelques nanomètres de diamètre). Les moyens de filtration, aptes à débarrasser le gaz d'au moins une partie des résidus solides de combustion qu'ils renferment, lorsqu'ils sont présents, sont donc agencés en amont des moyens de détente et aussi, avantageusement, en amont des moyens de refroidissement (bien évidemment, en aval de la au moins une chambre de combustion). It has furthermore been seen that, according to an alternative embodiment of the method, the gases generated (at least a part of them) are filtered upstream of their expansion, and advantageously upstream also of their cooling. The device of the invention is therefore likely to further include filtration means suitable for implementing such a filtration. Such means may for example comprise, as indicated in the introduction to this text, an arrangement of one or more corrugated metal grids or an arrangement of metal elements having pores (a few millimeters to a few nanometers in diameter). The filtration means, able to rid the gas of at least a portion of the solid combustion residues they contain, when they are present, are therefore arranged upstream of the expansion means and also, advantageously, upstream of the means cooling (of course, downstream of the at least one combustion chamber).
Le au moins un filtre adsorbant en zéolithe convient à la purification de gaz hydrogénés, à la séparation de l'hydrogène desdits gaz hydrogénés. Il s'agit avantageusement d'un filtre adsorbant en zéolithe synthétique de type A, très avantageusement de type 5A. The at least one zeolite adsorbent filter is suitable for purifying hydrogenated gases, for separating hydrogen from said hydrogenated gases. It is advantageously a adsorbent filter synthetic zeolite type A, very advantageously type 5A.
Les moyens de délivrance du gaz purifié comprennent généralement essentiellement une canalisation classique. Ils conviennent avantageusement pour délivrer ledit gaz au système utilisateur. Ledit système utilisateur, comme indiqué ci-dessus, consiste avantageusement en au moins une pile à combustible. Ainsi, le dispositif de l'invention est avantageusement agencé en amont d'au moins une pile à combustible. The means for delivering the purified gas generally comprise essentially a conventional pipe. They are advantageously suitable for delivering said gas to the user system. Said user system, as indicated above, advantageously consists of at least one fuel cell. Thus, the device of the invention is advantageously arranged upstream of at least one fuel cell.
Le dispositif de l'invention (au moins un dispositif de l'invention) est avantageusement intégré dans la structure d'un système, notamment d'un système portable ou embarqué, par exemple d'un système aéroporté. Il peut ainsi être intégré dans la structure d'un engin aéroporté, par exemple le fuselage ou les ailes d'un tel engin. The device of the invention (at least one device of the invention) is advantageously integrated in the structure of a system, in particular a portable or embedded system, for example an airborne system. It can thus be integrated into the structure of an airborne vehicle, for example the fuselage or wings of such a machine.
On se propose maintenant d'illustrer l'invention, de façon nullement limitative, par la figure annexée (figure 1) et l'exemple ci-après. It is now proposed to illustrate the invention, in no way limiting, by the appended figure (Figure 1) and the example below.
Ladite figure, unique, schématise en coupe un dispositif de l'invention, selon un mode de réalisation préféré, convenant à la mise en œuvre du procédé de l'invention, selon une variante de mise en œuvre préférée. Ledit exemple précise une telle variante de mise en œuvre préférée. Said single figure schematizes in section a device of the invention, according to a preferred embodiment, suitable for implementing the method of the invention, according to a preferred embodiment variant. Said example specifies such a preferred implementation variant.
Le dispositif 20 de l'invention, schématisé sur la figure 1, comprend six chambres de combustion 1 contenant, chacune, un chargement pyrotechnique générateur de gaz hydrogéné 2 et munies, chacune, d'un module d'initiation 3 (de leur chargement 2) et d'un orifice de délivrance 4 du gaz hydrogéné (généré en leur sein par combustion de leur chargement 2). Les orifices de délivrance 4 débouchent dans une même tubulure 5. Via ladite tubulure 5, lesdits orifices de délivrance 4 sont connectés à un filtre à particules 6. Un échangeur thermique 7, en forme de serpentin, est connecté audit filtre à particules 6 et est apte à véhiculer, tout en le refroidissant, le gaz hydrogéné jusqu'à un réservoir de stockage intermédiaire 8. Ledit réservoir 8 est muni d'un organe détendeur et régulateur de débit 9, relié à une chambre de purification 10 incorporant un filtre adsorbant en zéolithe 11. La chambre de purification 10 est ensuite reliée à une pile à combustible 13 par l'intermédiaire d'une canalisation 12. The device 20 of the invention, shown diagrammatically in FIG. 1, comprises six combustion chambers 1 each containing a pyrotechnic charge generating hydrogenated gas 2 and each provided with an initiation module 3 (of their charge 2 ) and a delivery port 4 hydrogenated gas (generated within them by combustion of their load 2). The delivery ports 4 open into the same pipe 5. Through said pipe 5, said delivery ports 4 are connected to a particle filter 6. A heat exchanger 7, in the form of a coil, is connected to said particle filter 6 and is adapted to convey, while cooling, the hydrogenated gas to an intermediate storage tank 8. Said tank 8 is provided with a regulator and flow regulator member 9, connected to a purification chamber 10 incorporating an adsorbent filter into zeolite 11. The purification chamber 10 is then connected to a fuel cell 13 via a pipe 12.
Un mode de fonctionnement du dispositif 20 de l'invention, tel que schématisé sur la figure 1, est précisé, à titre d'exemple, ci-après. One mode of operation of the device 20 of the invention, as shown diagrammatically in FIG. 1, is specified, by way of example, hereinafter.
Un(plusieurs) des six chargements pyrotechniques générateurs d'hydrogène 2 inclus dans les chambres de combustion 1 est(sont) allumé(s) (simultanément ou séquentiellement) au moyen de son(leur) module d'initiation 3. La combustion du(des)dit(s) chargement(s) 2 génère, dans la(les) chambre(s) de combustion 1 qui le(s) renferme(nt), du gaz hydrogéné G0, chaud (à environ 800 K), à une forte pression (entre 106 et 107 Pa (de 10 à 100 bars)). Ledit gaz hydrogéné chaud à forte pression G0 est délivré via l'(les) orifice(s) de délivrance 4. Après délivrance, il est véhiculé, sous pression (à une pression moindre (que la pression indiquée ci-dessus, haute pression de fonctionnement de la (des) chambre(s) de combustion en fonctionnement), à une pression de généralement quelques bars à une dizaine de bars, dans la tubulure 5. Le gaz véhiculé chaud sous pression est référencé Gl sur la figure 1. Il est filtré dans le filtre à particules solides 6, puis refroidi dans l'échangeur 7 (tubulure en forme de serpentin). Il est refroidi jusqu'à une température inférieure à 323 K. Le gaz refroidi est référencé G2 sur la figure 1. En aval de l'échangeur thermique 7, le gaz refroidi G2 est stocké dans le réservoir temporaire 8. Dans ledit réservoir 8, la pression du gaz est de quelques bars à une dizaine bars. Le stockage du gaz refroidi dans le réservoir contribue aussi à son refroidissement. A partir dudit réservoir 8, le gaz est ensuite débité, en continu ou à la demande, par l'intermédiaire du détendeur et régulateur de débit 9. Il est débité à un débit d'environ 500 ml/min et à une pression comprise entre 1,5 et 5 bars ; cette surpression est opportune en référence à la perte de charge occasionnée par la traversée du filtre 11 (voir ci-après). Le gaz débité (détendu) est référencé G3 sur la figure 1. Il est débité dans la chambre de purification 10 incorporant le filtre adsorbant en zéolithe 11 (zéolithe de type 5A). Ledit filtre adsorbant en zéolithe 11 retient, en grande partie, les espèces gazeuses polluantes (présentes en quantité très minoritaire), telles NH3 (la teneur en NH3, inférieure à 1 % en masse avant purification est inférieure à 0,01 % en masse après purification). L'hydrogène G est délivré en aval, à une pureté supérieure à 99,99%, à une température inférieure à 323 K, et, compte tenu des pertes de charge du gaz en traversant le filtre adsorbant en zéolithe 11, à une pression inférieure à 5 bars à la pile à combustible 13. One (several) of the six hydrogen-generating pyrotechnic charges 2 included in the combustion chambers 1 are (are) lit (simultaneously or sequentially) by means of its (their) initiation module 3. The combustion of des) said (s) load (s) 2 generates, in the (the) chamber (s) of combustion 1 which (s) contains (s), hydrogen gas G0, hot (at about 800 K), a high pressure (between 10 6 and 10 7 Pa (10 to 100 bar)). Said hot hydrogenated gas at high pressure G0 is delivered via the delivery orifice (s) 4. After delivery, it is conveyed under pressure (at a lower pressure (that the pressure indicated above, high operating pressure of the combustion chamber (s) in operation), at a pressure of generally a few bars to about 10 bars, in the tubing 5. The gas carried hot under pressure is referenced Gl in Figure 1. It is filtered in the solid particle filter 6, and then cooled in the exchanger 7 (coil-shaped pipe). It is cooled down to a temperature of less than 323 K. The cooled gas is referenced G2 in FIG. 1. Downstream of the heat exchanger 7, the cooled gas G2 is stored in the temporary tank 8. In said tank 8, the pressure of the gas is from a few bars to a dozen bars. The storage of the cooled gas in the tank also contributes to its cooling. From said tank 8, the gas is then discharged, continuously or on demand, through the expander and flow regulator 9. It is discharged at a flow rate of about 500 ml / min and at a pressure between 1.5 and 5 bars; this overpressure is appropriate with reference to the pressure drop caused by the crossing of the filter 11 (see below). The gas discharged (expanded) is referenced G3 in Figure 1. It is fed into the purification chamber 10 incorporating the adsorbent filter zeolite 11 (zeolite type 5A). Said adsorbent filter zeolite 11 retains, in large part, gaseous polluting species (present in very minor amount), such as NH 3 (the content of NH 3, less than 1% by weight before purification is less than 0.01% by weight after purification). Hydrogen G is delivered downstream, at a purity greater than 99.99%, at a temperature of less than 323 K, and, taking into account the pressure losses of the gas while passing through the adsorbent filter in zeolite 11, at a lower pressure. at 5 bars at the fuel cell 13.
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