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19ème Congrès Français de Mécanique

Marseille, 24-28 août 2009

Analyse thermo-mécanique d'un prototype de stockage hybride (solide-gazeux) d'hydrogène
D. CHAPELLEa, O. GILLIAb, M. FELDICa a. Institut FEMTO ST, UMR 6174, Départ. Mécanique Appliquée, 24 rue de l’Epitaphe, 25000 BESANCON b.CEA Grenoble, DRT/LITEN/DTH/LTH, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 09

Résumé :
Dans cettecommunication, nous présentons une part de nos travaux dédiés au stockage hybride de l'hydrogène, combinant stockage solide et stockage gazeux. La conception d'enveloppes robustes permettant de contenir cette solution de stockage nécessite une compréhension fine des phénomènes d’hydruration. Notre approche se concentre sur les échanges thermiques. Le logiciel Comsol est ensuite utilisé pour rendrecompte des évolutions de température au cours des réactions d'hydruration.

Abstract :
The present paper deals with the analysis of hybrid hydrogen storage, combining both solid and gaseous storage. Designing an efficient envelope for such a storage solution requires a sharp understanding of the phenomena involved while sorption is occurring. The following approach focuses on thermal exchanges.The Comsol software contributes following the temperature evolutions all along the process.

Mots clefs: hydrogène,
analysis

stockage hybride, analyse thermique, hydrogen, hybrid storage, thermal

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Introduction

Voilà plus de deux siècles que l’hydrogène, et son potentiel, a été révélé ; cependant, aujourd’hui, une utilisation de masse de ce vecteur énergétique requiert toujours desavancées technologiques conséquentes (tout autant qu’une volonté politique, ainsi qu’une volonté des principaux acteurs économiques). L’un des verrous majeurs réside dans le stockage de l’hydrogène qui peut se faire, pour l’essentiel, sous forme gazeuse, sous forme cryogénique ou sous forme solide. Puisqu’aucune des précédentes solutions ne semble pouvoir satisfaire le cahier des charges (densitégravimétrique et/ou volumétrique, cinétique, sécurité…), des efforts d’investigations sont entrepris afin d’étudier des solutions dites hybrides, combinant plusieurs voies de stockage. Nous cherchons à développer une solution hybride ‘stockage solide-stockage sous pression’ permettant en particulier de diminuer les pressions de service et ainsi de favoriser l’aspect sécuritaire du système. Dans unpremier temps, nous présentons le système Comedhy développé au CEA de Grenoble : prototype de stockage permettant une analyse exhaustive des flux thermiques ainsi qu’une quantification de certaines grandeurs thermodynamiques. Dans un deuxième temps, nous discutons du cadre théorique utilisé et implémenté, après simplification, au code de calcul commercial Comsol. Avant de conclure, uneprésentation des résultats et une discussion fait l’objet de la quatrième section.

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Description du prototype expérimental

Le module de stockage Comedhy (Conductivity Measurement & Dilatation of Hydrides), conçu au CEA de Grenoble, est un prototype de stockage hybride, stockage solide et gazeux, qui offrent également l’opportunité d’étudier le couplage des phénomènes thermiques et mécaniques. Parailleurs, sur la base d’une méthode par oscillation, la mesure de la conductivité thermique est attendue. Le module, de forme cylindrique, est dimensionné de façon à pouvoir supporter une pression nominale de 200 bars avec un facteur de sécurité de 2,5 pour une température n’excédant pas 200°C. Un fil chaud, positionné au niveau de l’axe du cylindre, permet de fournir une puissance maximum de 105 Wpour une tension de 3.5V. 1

19ème Congrès Français de Mécanique

Marseille, 24-28 août 2009

FIG. 1 – Module de stockage en position horizontale ; positionnement des jauges de déformation. Des jauges de déformation sont collées sur la face extérieure du cylindre, en différentes positions sur le périmètre, pour mesurer les déformations suite à l’expansion de la poudre (figure 1) et...
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