Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph....
Transcript of Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph....
![Page 1: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/1.jpg)
Etude expérimentale et numé rique
de réservoirs
d’hydrure de magnésium
� Financement : Région Rhône-Alpes / I.P. NESSHy SES6-518271 (2006-2011)
� Laboratoire d’accueil : CNRS - Institut NEEL et CRETA (P. De Rango)
- LEGI (Ph. Marty)
![Page 2: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/2.jpg)
Plan de l’exposé
� Introduction
� Etude du matériau
� Fonctionnement d’un réservoir de MgH2
� Gestion thermique du réservoir
� Réservoir de 110 g d’H2
![Page 3: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/3.jpg)
Contexte énergétique
Stockage de l’énergie électrique : - Batteries (faibles capacités)- Conversion en hydrogène
Stockagede
l’hydrogène
Energies renouvelables
Electrolyseur Turbine ou Pile à combustible
Réseau électrique Sites isolés
Excès de production Pic de consommation
Tampon
Energies renouvelables intermittentes
![Page 4: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/4.jpg)
Le stockage de l’hydrogène
� Gazeux : 200, 350, 700 bars.Acceptabilité, non adapté aux grandes quantités d’hydrogène.
� Liquide : - 253 °CBoil-off, énergie de liquéfaction = 30% du PCI de H2.
� Solide : sous forme d’hydrureStockage à faible pression
Exemples : Mg, LaNi5, Ti-V-Cr, NaAlH4, NaBH4…
![Page 5: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/5.jpg)
+ Faible coût / abondant
+ Biocompatible
+ Grande capacité de stockage réversible (7,6 %m.)
– Très grande stabilité thermodynamique (T > 300 °C)
– Réaction hautement exo – endothermique ∆H 75 kJ/molH2
– Cinétiques de réaction faibles (10 h) � Nécessité de « l’activer »
Stockage dans MgH2
Mg + H2 MgH2
Absorption à 1 MPa H2Désorption à 15 kPa H2
![Page 6: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/6.jpg)
Etudes antérieures
- HDW (Allemagne) : TiFe- Toyota (Japon) : TiCrMn- Ovonics (USA) : AB2- CEA Grenoble : MnNiSn
- Daimler-Benz (1982) : MgH2 Cinétiques trop lentes- Johnson-Matthey (2005) : MgH2 Gestion thermique inexistante
� Numériques
� Expérimentales
Modèle cinétique simplifié
Pas de recul sur les paramètres expérimentaux
- Jemni et Ben Nasrallah (1993) : LaNi5- Mat, Aldas et Kaplan (2002) : LaNi5
- Askri (2003) : MgH2 (Radiatif)- Marty (2006) : MgH2 (Echangeur)
![Page 7: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/7.jpg)
Collaboration à Grenoble: Institut NEEL + LEGI
Expérimentale + Numérique
Matériau ���� Réservoirs
Faisabilité du stockage de l’hydrogènedans un réservoir de MgH 2 ?
Problématique de la thèse :
![Page 8: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/8.jpg)
Plan de l’exposé
� Introduction
� Etude du matériau
� Fonctionnement d’un réservoir de MgH2
� Gestion thermique du réservoir
� Réservoir de 110 g d’H2
![Page 9: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/9.jpg)
Elaboration et activation
� Poudre de Mg (40 µm) � hydruration autoclave : MgH2 (brut)
� Co-broyage du MgH2 avec l’alliage Ti- V-Cr, (brevet IN n°WO2007096527 )
Mécanosynthèse dans un broyeur à billes
Lot de 1 kg de poudre activée
Poudre pyrophorique (à manipuler sous argon)
Le matériau
Etude CNRS tranférée à l’industrie (Drôme)
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30
0 at. %1 at. %3 at. %4 at. %5 at. %7 at. %
H %
wt.
temps (min)
%m
. H
Absorption à 240 °C 1 MPa H 2
![Page 10: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/10.jpg)
Conséquences du co-broyage
� Réduction de la granulométrie
� Création d’une microstructure nano-structurée
� Alliage mécanique avec l’additifs
100nm
Mg
MgO
Ti-V-Cr
H2
MgH2
2 µm
Observation TEM de Mg activé
Le matériau
[De Rango 2007]
Elaboration et activation
![Page 11: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/11.jpg)
Le matériauDispositif de caractérisation
Appareil de Sievert : α = f(T,P,t)
Peq Absorption
Peq Désorption
300°C
Isotherme PCT
Réaction exo - endothermique
� Pic de température ∆T > 50 °C
Porte échantillon adapté : ∆T< 10°C- échange de chaleur favorisé- inertie thermique importante
Absorption à 280 °C et 1 MPa
Cinétique à T constante
![Page 12: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/12.jpg)
Le matériauThermodynamique
Loi de Van’t Hoff :
∆H°= -75000 J/molH 2∆S°= -135,6 J/K/molH 2
R
S
RT
Heq e
P
P °∆−°∆
=o
(Paramètres intrinsèques)
Peq absorption
Peq désorption
![Page 13: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/13.jpg)
Le matériau
Zones de fonctionnementproches de Peq
� P > Patm � T > 280 °C� Fonctionnement près de Peq
(pour des masses importantes)Thermodynamique
Loi de Van’t Hoff :
∆H°= -75000 J/molH 2∆S°= -135,6 J/K/molH 2
R
S
RT
Heq e
P
P °∆−°∆
=o
(Paramètres intrinsèques)
Patm
![Page 14: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/14.jpg)
Le matériauCinétiques près de l’équilibre
� Mécanisme de réaction
Equation d’Avrami :
� Loi de pression
� Loi d’Arrhénius
))1ln((),( α−−=⋅ tTPk
RT
Ea
eq
eqa e
P
PPCk
−⋅
−⋅=
Linéarisation du taux d’hydruration à 300 °C
Dépendance du coefficient k à la pression d’H2 à 300 °C
Près de l’eq.
Loin de l’eq.Paramètres extrinsèques
� fonction des conditions d’élaboration
![Page 15: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/15.jpg)
Absorption
Désorption
Courbe d’équilibre
Temps caractéristique de réaction selon la température et la pression
Le matériauCinétiques
),(
1
PTktcr =
![Page 16: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/16.jpg)
• Couche passivante en surface des grains
• Rupture lors de l’hydruration suivante
Restauration
Cinétiques à 300°C 10 b – 0,15 b
- Pas de détérioration par RX- Restauration au cours de
l’hydruration suivant l’exposition
Le matériauDégradation
� Exposition à l’air de Mg activé (1h)
Mg MgH2
Lors du 1er cycle après exposition
MgO
![Page 17: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/17.jpg)
� Exposition à l’air de MgH2 activé
Le matériauDégradation
- Cinétiques non affectées- Diminution permanente de la capacité de stockage
Cinétiques à 300°C 1 MPa – 15 kPa
poudre vierge trainer air2
0
1000
2000
13 20 30 40 50 602 θ
MgH2 β
MgVH2MgH2 γ
Mg(OH)2
Diagramme RX après 10 jours d’exposition à l’air
• Formation de Mg(OH)2 dans le volume des grains (visible aux RX)
![Page 18: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/18.jpg)
Le matériauConductivité thermique
40 mmThermocouples
h
- Mesures stationnaires
- Poudre non cyclée
� Observation de l’effet Knudsen
� Très faible λ (< 0,5 W/m/K)� Diminue à basse pression
Libre parcours moyenDiamètre des pores
Kn = 1
Kn =
![Page 19: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/19.jpg)
Le matériauConductivité thermique
T latérale
T centrale
Paroi métallique
Poudre MgH 2
Four
- Mesure instationnaire : 20 – 300 °C
- Poudre cyclée 5 fois
- Pression = 0,3 MPa
Simulation - expérienceIdentification inverse
λ = 0,48 W/m/K (± 0,05) In-situ
Influence du frittage de la poudre !
![Page 20: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/20.jpg)
Plan de l’exposé
� Introduction
� Etude du matériau
� Fonctionnement d’un réservoir de MgH2
� Gestion thermique du réservoir
� Réservoir de 110 g d’H2
![Page 21: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/21.jpg)
Réservoir instrumenté :
- Débit entrée/sortie d’hydrogène- Températures dans le lit de poudre- Pression d’hydrogène dans le lit
Volume interne : 270 cm3
120 g de poudre activée
Débitmètres
TC 1TC 2
P
Convection naturelle
Réservoir MgH2 Projet EuropProjet Europééen : Hystoryen : Hystory
![Page 22: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/22.jpg)
� Réaction inhomogène�Temps de chargement >> temps de réaction (dans les mêmes conditions initiales)
Réservoir MgH2Fonctionnement expérimental
Chargement en H2 à 300 °C et 0,75 MPa Déchargement en H2 à 340 °C et 0,1 MPa
temps (min)
Vol
ume
déso
rbé
(Nl)
![Page 23: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/23.jpg)
Sorption limitée par la thermique
Réservoir MgH2Fonctionnement expérimental
![Page 24: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/24.jpg)
Réservoir MgH2Modélisation numérique
FLUENT® 6.4 + Subroutine en CVolumes finis - 2D axisymétrique
Hypothèses:
- H2 : gaz parfait
- Equilibre local de température
- Transferts radiatifs négligés
sTTVCpt
TCp gg +∇⋅=∇⋅⋅⋅+
∂∂⋅⋅ 2)( λρρ
rr
M
H
dt
ds
0∆−⋅⋅= ατ
mmgg CpCpCp ⋅⋅−+⋅⋅=⋅ ρερερ )1(
� Equation de la chaleur
α : Taux d’hydrurationτ : densité d’hydrogène
maximum dans le matériau
λeff = 0,48 W/m/K
![Page 25: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/25.jpg)
VK
Prr
⋅η−=∇
dt
d)V(div
t gg α⋅τ=⋅ρ+
∂ρ∂
⋅εr
� Bilan de masse et Darcy
Réservoir MgH2Modélisation numérique
Porosité grande et vitesse faibles �Influence de l’écoulement d’hydrogène: négligeable ?
0=∇Pr
Equilibre entre frottement visqueux et gradient de pression
� Simplification :
![Page 26: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/26.jpg)
� Convection << Conduction thermique
� Chaleur sensible du gaz entrant << Energie de réaction
Cpgaz . ∆T << ∆H°
� Effet négligeable des gradients de pression sur les cinétiques
Réservoir MgH2Modélisation numérique – simplification de l’écoulement
1CpVL
Pgg
e <<λ
⋅ρ⋅⋅=
N = erreur sur << 1dt
dα
![Page 27: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/27.jpg)
� Quasi-stationnarité (énergie et bilan de masse)
� Variations lentes de pression et de température durant la sorption
Réservoir MgH2Modélisation numérique – simplification de l’écoulement
� Pilotage thermique de la sorption
1>>=réaction
conduction
t
tC
Construction du nombre N
![Page 28: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/28.jpg)
Si N<<1, l’écoulement peut être négligé.
λ: conductivité thermique effective
M: masse molaire H2
η: viscosité dynamique
∆H: enthalpie de réaction
K: perméabilité du matériau
L: longueur caractéristique de diffusion
Réservoir MgH2Modélisation numérique – simplification de l’écoulement
232
22
2
th
eq
in
gaz
LKTR
HP
LN
⋅⋅∆⋅
⋅⋅=
ηλ
Dans notre cas, N = 0,024. Les transferts de masse sont négligés.
Accepté par Int. J. Heat and Mass Transfer
![Page 29: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/29.jpg)
Réservoir à MgH2Modélisation numérique
th
Lc
R
T-T =ϕ
Tc = T de consigneTL = T limiteRth = résistance thermique
ALU INOX
MgH2
TC2 TC1
� Calcul de la pression interne P:
- Homogène dans l’espace- Variable en tempsTC3
consomméeentrée m– m dm =2H
![Page 30: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/30.jpg)
Réservoir à MgH2Modélisation numérique
Très bon accord entre expérience et simulation� Temps de réaction
� Evolution des paramètres
Chargement en H2 à 300 °C et 0,75 MPa
![Page 31: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/31.jpg)
Réservoir à MgH2Modélisation numérique
T maintenue à 300°C
Tau
x d’
hydr
urat
ion
MgH2
Mg
Mg initialement
Paroi métallique
Chargement en H2 à 300 °C et 0,75 MPa
Axe de symétrie horizontal
![Page 32: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/32.jpg)
Réservoir à MgH2Modélisation numérique
Réaction Rapide
Pas de réaction
t = 2150 s
� Vitesse de réaction non uniforme
� Front de réaction de largeur δ
� δ : diffusion de chaleur / exothermie
dt
dα
δ
δ
Cartographie des vitesses de réaction
![Page 33: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/33.jpg)
Réservoir à MgH2Modélisation numérique
� Etude paramétrique
Cinétique Ca Cp de MgH2 Conductivité thermique λ
Contrôle thermique du chargement
Evolution des températures Pas d’influence Temps de chargement
![Page 34: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/34.jpg)
Plan de l’exposé
� Introduction
� Etude du matériau
� Fonctionnement d’un réservoir de MgH2
� Gestion thermique du réservoir
� Réservoir de 110 g d’H2
![Page 35: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/35.jpg)
Gestion thermique
TC 1TC 2
Anneau de cuivre Doigt froid
Premier échangeur annulaire
![Page 36: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/36.jpg)
Absorption plus rapide mais incomplète : Gradients thermiques trop importants
� Conductivité thermique des poudres trop faibles
Axe de symétrie de révolution
Anneau de cuivre refroidi
MgH2
Mg
Taux d’hydruration en fin de réaction
Premier échangeur annulaire
Gestion thermique
Chargement à 300 °C et 0,8 MPa
![Page 37: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/37.jpg)
Mélange MgH2 + Graphite Naturel Expansé (GNE) 5 %m.
Compression uniaxiale du mélange (1 t/cm²)
Disques usinablesFaible réactivité à l’air
Réduction de porosité (0,7 � 0,4)
Densité volumique de stockage X 2 à 1 t/cm2
Gestion thermiqueEvolution du matériau
Brevet F 0759689
Disque : h =1 cm; Ø 10 cm� 52 Nl d’H 2
ρH disque = 60 kg/m3
ρH liquide = 71 kg/m3
(collaboration PROMES)
![Page 38: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/38.jpg)
100 µm200 µm
Dans l’axe de compressionDans le plan de compression
Axe de compression
GNE
MgH2
Gestion thermiqueEvolution du matériau
Clichés MEB
![Page 39: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/39.jpg)
Mesure de la conductivité thermique
Forte anisotropie :
Alignement des feuillets de graphitelors de la compression
Dir. radiale
Dir.
axi
ale
CompressionGestion thermiqueEvolution du matériau
Laboratoire PROMES : R. OLIVES
![Page 40: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/40.jpg)
Porosité réduite = faible perméabilité
� Anisotropie due à la compression
� Diffusion radiale facile
� Dimensionnement des disques pour minimiser les gradients de pression
Diffusion Axiale Diffusion Radiale
H2
H2
Gestion thermiqueEvolution du matériau
Perméabilité sous H2 à 20°C
![Page 41: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/41.jpg)
Gestion thermique
Diffusion radialeDiffusion axiale
Evolution du matériau
Perméabilité sous H2 à 20°C
� Anisotropie due à la compression
� Diffusion radiale facile
� Dimensionnement des disques pour minimiser les gradients de pression
Porosité réduite = faible perméabilité ?
![Page 42: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/42.jpg)
Conception d’un échangeur adapté aux disques
Gestion thermiqueTest en réservoir
TC latéral
Tube central refroidissant
TC central
Modèle numérique + mesures expérimentales
![Page 43: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/43.jpg)
Absorption à 220°C - 1,5 MPa et 30 l/min d’air
- Bonnes performances- En accord avec la modélisation
Test en réservoir
Gestion thermique
Absorption à 300°C – 0,8 MPa et 5 l/min d’air
Absorptions à 300°C et 0,8 MPa
Débit d’air => vitesse de chargement
![Page 44: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/44.jpg)
Gestion thermiquePoint à étudier
Initialement Après 10 cycles
Initial
Après 10 cycles
Cinétique à 300°C et 1 MPa – 15 kPa
Capacité des réservoirs
Gonflement des disques
![Page 45: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/45.jpg)
� Pollution à l’air- Jusqu’à 20 % de déformation sur MgH2
Formation de Mg(OH)2 : dégradation de la capacité de stockage
Déformation de MgH2 compacté exposés à l’air
Gestion thermiquePoint à étudier
� Changement d’état d’hydruration - Déformations mesurés ∆l/l < 0,5 %- Déformations réversibles
� Coalescence des pores au cours des cycles ?
H2
Interféromètre laser
Miroir
FourThermocoupleEchantillon
Pompe
Dilatomètre
![Page 46: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/46.jpg)
Plan de l’exposé
� Introduction
� Etude du matériau
� Fonctionnement d’un réservoir de MgH2
� Gestion thermique du réservoir
� Réservoir de 110 g d’H2
![Page 47: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/47.jpg)
Conception
Réservoir de 110 g d’H2
� Contrôle thermique du processus de sorption
- Conductivité améliorée (MgH2 + GNE)
- Echangeur à ailettes + refroidisseur à air
- Chauffage interne lié à l’échangeur (1500 W)
� Densité de stockage
- MgH2 compacté (1,8 kgMgH2 � 1200 Nl H2)
- Géométrie cylindrique
- Hauteur > diamètre
![Page 48: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/48.jpg)
Conception
RésistancesTube refroidissant
- Filtre- Vanne- Soupape de sécurité
- Ailettes- Bagues de cuivres- Résistances- Tube refroidissant
Réservoir sans ailette
Brevet F 0759690
Projet EuropProjet Europééen : NESSHy en : NESSHy SES6-518271 (2006-2011)
Réservoir de 110 g d’H2
![Page 49: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/49.jpg)
Fonctionnement
TC2
TC1
Refroidissement
Position des thermocouples dans le disque à mi-hauteur
Absorption à 90 °C et 1 MPa
� Chargement en 35 minutes
� Départ à 90 °C
� Limitation par l’efficacité du refroidisseur
Réservoir de 110 g d’H2
![Page 50: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/50.jpg)
Fonctionnement
TC2
TC1
Chauffage
Position des thermocouples dans le disque à mi-hauteur
� Déchargement en 45 minutes
� 1200 Nl stocké (6%m.matériau, 0,8 %m.système)
� Limitation par la puissance des résistances
Réservoir de 110 g d’H2
Désorption à 350 °C et 0,12 MPa
![Page 51: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/51.jpg)
Modélisation
TC1TC2
MgH2 + GNE
Inox
H2
Cuivre
Pas de réaction
Réaction rapide
�Accord satisfaisant expérience / simulation
Désorption à 350 °C et 0,12 MPa
TC1
TC2
Réservoir de 110 g d’H2
1/300ème
Vite
sse
de r
éact
ion
![Page 52: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/52.jpg)
Couplage avec une pile à combustible
2,2 kW durant 45 min (90 g H2)
Réservoir MgH2
PAC
H2e-e-
Radiateur
Résistancechauffante
EPICEA
Réservoir de 110 g d’H2
![Page 53: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/53.jpg)
Conclusion
� Faisabilité du stockage de H2 dans un réservoir MgH2
� Caractérisation du matériau � code de calcul fonctionnel
� Compréhension du fonctionnement du réservoir
� Gestion thermique du système (2 brevets)
� Conception et réalisation d’un réservoir de 1,8 kg d’hydrure
1200 Nl H2 ; 3,7 kWh ; 0,8 %m.H2 (système) ; 480 b (système)
![Page 54: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/54.jpg)
Perspectives
� Conception de réservoirs à une échelle supérieure
� Récupération de la chaleur de réaction dans un matériau à
changement de phase
� Couplage thermique du réservoir avec une pile SOFC
![Page 55: Etude expérimentale et numérique de réservoirs d’hydrure de … · 2014-10-18 · - LEGI (Ph. Marty) Plan de l’exposé ... - Débit entrée/sortie d’hydrogène - Températures](https://reader033.fdocuments.fr/reader033/viewer/2022042003/5e6e65f33749183b0b3793d5/html5/thumbnails/55.jpg)
Perspectives
� Conception de réservoir à une échelle supérieure
� Récupération de la chaleur de réaction dans un matériau à
changement de phase
� Couplage thermique du réservoir avec une pile SOFC
Merci de votre attentionMerci de votre attention