Procédé de production de composés du type CxHyO2 par réduction de dioxyde de carbone (CO2) et/ou de monoxyde de carbone (CO)Process for producing C x HyO 2 compounds by reduction of carbon dioxide (CO 2 ) and / or carbon monoxide (CO)
La présente invention concerne un procédé de production de compo- ses du type CxHyOz, notamment avec x>1 ; y compris entre O et 2x+2 et z compris entre O et 2x, par réduction de dioxyde de carbone (CO2) et/ou de monoxyde de carbone (CO), notamment à partir d'espèces hydrogène très réactives générées par une l'électrolyse de l'eau.The present invention relates to a process for producing compounds of the type C x H y O z , in particular with x>1; between 0 and 2x + 2 and z between 0 and 2x, by reduction of carbon dioxide (CO 2 ) and / or carbon monoxide (CO), in particular from highly reactive hydrogen species generated by a electrolysis of water.
Les membranes céramiques conductrices font aujourd'hui l'objet de nombreuses recherches pour augmenter leurs performances ; notamment, ces membranes trouvent des applications particulièrement intéressantes dans les domaines :Conductive ceramic membranes are now the subject of much research to increase their performance; in particular, these membranes find particularly interesting applications in the fields:
- de l'électrolyse de l'eau à haute température pour la production d'hydrogène, - dans le traitement de gaz carbonés (CO2, CO) par hydrogénation électrochimique pour l'obtention de composés du type CχHyOz ( x>1 ; y compris entre O et 2x+2 et z compris entre O et 2x). L'hydrogène (H2) apparaît aujourd'hui comme un vecteur énergétique très intéressant, qui est appelé à prendre de plus en plus d'importance pour traiter entre autres les produits pétroliers, et qui pourrait, à terme, se substituer avantageusement au pétrole et aux énergies fossiles, dont les réserves vont fortement décroître dans les décennies à venir. Dans cette perspective, il est toutefois nécessaire de développer des procédés efficaces de production d'hydrogène. II a certes été décrit de nombreux procédés de production d'hydrogène, à partir de différentes sources, mais nombre de ces procédés s'avèrent inadaptés à une production industrielle massive d'hydrogène.- the electrolysis of water at high temperature for the production of hydrogen, - in the treatment of carbonaceous gases (CO 2 , CO) by electrochemical hydrogenation to obtain compounds of the CχH y Oz type (x> 1 including between 0 and 2x + 2 and z between 0 and 2x). Hydrogen (H 2 ) appears today as a very interesting energy vector, which will become increasingly important for processing petroleum products, among other things, and which could, in the long term, be a good substitute for oil. and fossil fuels, whose reserves will decline sharply in the coming decades. In this perspective, however, it is necessary to develop efficient processes for the production of hydrogen. Although many processes have been described for producing hydrogen from various sources, many of these processes are unsuitable for mass industrial hydrogen production.
Dans ce cadre, on peut par exemple citer la synthèse d'hydrogène à partir du vaporéformage d'hydrocarbures. Un des problèmes majeurs de cette voie de synthèse est qu'elle engendre, à titre de sous-produits, des quantités importantes de gaz à effet de serre de type CO2. En effet, 8 à 10 tonnes de CO2 sont libérées pour produire 1 tonne d'hydrogène.
Deux défis se présentent donc, pour les années futures: rechercher un nouveau vecteur d'énergie utilisable sans danger pour notre environnement comme l'hydrogène, et réduire la quantité de gaz carbonique.In this context, it is possible, for example, to synthesize hydrogen from the steam reforming of hydrocarbons. One of the major problems of this synthetic route is that it generates, as by-products, significant amounts of greenhouse gases of CO 2 type. In fact, 8 to 10 tonnes of CO 2 are released to produce 1 tonne of hydrogen. There are two challenges for future years: to find a new usable energy carrier that is safe for our environment, such as hydrogen, and to reduce the amount of carbon dioxide.
Les estimations technico-économiques des procédés industriels prennent maintenant en compte cette dernière donnée. Cependant, il s'agit essentiellement de séquestration, en particulier de séquestration souterraine dans des anfractuosités qui ne correspondent pas forcément à d'anciens gisements pétroliers, ce qui à terme n'est peut être pas sans danger.Techno-economic estimates of industrial processes now take this latter data into account. However, it is mainly sequestration, especially underground sequestration in crevices that do not necessarily correspond to old oil deposits, which in the long run may not be safe.
Il paraît judicieux de recycler ce gaz carbonique sous forme de com- posés utilisables dans le domaine de la chimie ou dans le domaine de la production d'énergie. L'énergie nécessaire à cette transformation pourrait être l'électricité, par exemple d'origine nucléaire, et en particulier celle des réacteurs tels que des réacteurs nucléaires à haute température du typeIt seems advisable to recycle this carbon dioxide in the form of compounds that can be used in the field of chemistry or in the field of energy production. The energy required for this transformation could be electricity, for example of nuclear origin, and in particular that of reactors such as high-temperature nuclear reactors of the type
HTR (« High Température Reactor » en anglais) ou des réacteurs nucléaires à eau sous pression de conception EPR (marque déposée).HTR (High Temperature Reactor) or pressurized water nuclear reactors of EPR (registered trademark) design.
Une voie prometteuse pour la production industrielle d'hydrogène est la technique dite d'électrolyse de la vapeur d'eau, par exemple à haute température (EHT), à une température moyenne, typiquement supérieure à 200 °C, ou encore à température intermédiaire comprise entre 200 °C et 1000°C.A promising route for the industrial production of hydrogen is the technique known as electrolysis of water vapor, for example at high temperature (EHT), at an average temperature, typically above 200 ° C., or at intermediate temperature. between 200 ° C and 1000 ° C.
A l'heure actuelle, deux modes de production d'électrolyse de vapeur d'eau sont connus :At present, two methods of producing electrolysis of water vapor are known:
Selon un premier procédé illustré sur la figure 1 , on utilise un électro- lyte capable de conduire les ions O2" et fonctionnant à des températures gé- néralement comprises entre 750 °C et 1000 °C.According to a first method illustrated in FIG. 1, an electrolyte capable of conducting O 2 - ions and operating at temperatures generally between 750 ° C. and 1000 ° C. is used.
Plus précisément, la figure 1 représente de manière schématique un électrolyseur 1 comportant une membrane céramique 2, conductrice d'ions O2", assurant la fonction d'électrolyte séparant une anode 3 et une cathode 4. L'application d'une différence de potentiel entre l'anode 3 et la cathode 4 entraîne une réduction de la vapeur d'eau H2O du coté de la cathode 4. Cette réduction forme de l'hydrogène H2 et des ions O2" (0% dans la notation de Krόger-Vink) à la surface de la cathode 4 suivant la réaction :
2e'+V~ + H2O → Oo + H2 More precisely, FIG. 1 schematically represents an electrolyser 1 comprising a ceramic membrane 2, conducting O 2 " ions, providing the electrolyte function separating an anode 3 and a cathode 4. The application of a difference of potential between the anode 3 and the cathode 4 causes a reduction of water vapor H 2 O on the side of the cathode 4. This reduction forms hydrogen H 2 and O 2 - ions (0% in the notation of Krόger-Vink) on the surface of the cathode 4 according to the reaction: 2nd '+ V ~ + H 2 O → O o + H 2
Les ions O2", plus précisément les lacunes en oxygènes (Fj), migrent à travers l'électrolyte 2 pour former de l'oxygène O2 à la surface de l'anode 3, des électrons e étant libérés suivant la réaction d'oxydation :The O 2 - ions, more precisely the oxygen vacancies (Fj), migrate through the electrolyte 2 to form oxygen O 2 at the surface of the anode 3, electrons e being released following the reaction of oxidation:
Ol → -O ',2 + Vn + 2eOl → -O ', 2 + V n + 2e
Ainsi, ce premier procédé permet de générer en sortie de l'électrolyseur 1 de l'oxygène - compartiment anodique - et de l'hydrogène mélangé avec de la vapeur d'eau - compartiment cathodique.Thus, this first method makes it possible to generate at the outlet of the electrolyser 1 oxygen - anode compartment - and hydrogen mixed with water vapor - cathode compartment.
Selon un second procédé illustré à la figure 2, on utilise un électrolyte capable de conduire les protons et fonctionnant à des températures plus faibles que celles requises par le premier procédé décrit ci-dessus, généralement comprises entre 200 °C et 800 °C.According to a second method illustrated in FIG. 2, an electrolyte capable of driving the protons and operating at temperatures lower than those required by the first method described above, generally between 200 ° C. and 800 ° C., is used.
Plus précisément, cette figure 2 représente de manière schématique un électrolyseur 10 comportant une membrane céramique 1 1 conductrice de protons assurant la fonction d'électrolyte séparant une anode 12 et une ca- thode 13.More precisely, this FIG. 2 schematically represents an electrolyzer 10 comprising a proton-conducting ceramic membrane 1 1 providing the electrolyte function separating an anode 12 and a cathode 13.
L'application d'une différence de potentiel entre l'anode 12 et la cathode 13 entraîne une oxydation de la vapeur d'eau H2O du coté de l'anode 12. La vapeur d'eau introduite dans l'anode 12 est ainsi oxydée pour former de l'oxygène O2 et des ions H+ (ou OH0 dans la notation de Krόger-Vink), cette réaction libérant des électrons e" suivant l'équation :The application of a potential difference between the anode 12 and the cathode 13 causes an oxidation of the water vapor H 2 O on the side of the anode 12. The water vapor introduced into the anode 12 is thus oxidized to form oxygen O 2 and H + ions (or OH 0 in Krόger-Vink notation), this reaction releasing electrons e " according to the equation:
H2O + 20 o → 2OH0 +-O2 + 2éH 2 O + 20 o → 2OH 0 + -O 2 + 2e
Les ions H+ (ou OH0 dans la notation de Krόger-Vink) migrent à travers l'électrolyte 1 1 , pour former de l'hydrogène H2 à la surface de la ca- thode 13 suivant l'équation :
The H + ions (or OH 0 in the Krόger-Vink notation) migrate through the electrolyte 11, to form hydrogen H 2 on the surface of the method 13 according to the equation:
Ainsi, ce procédé fournit en sortie de l'électrolyseur 10 de l'hydrogène pur - compartiment cathodique - et de l'oxygène mélangé avec de la vapeur d'eau -compartiment anodique.Thus, this process provides at the outlet of the electrolyzer 10 pure hydrogen - cathode compartment - and oxygen mixed with water vapor - anodic compartment.
Plus précisément, la formation de H2 passe par la formation de composés intermédiaires qui sont des atomes d'hydrogène adsorbés à la surface de la cathode avec des énergies et des degrés d'interaction variables et/ou des atomes d'hydrogène radicalaires H- (ou H*lectrode
la notation de Krόger-Vink). Ces espèces étant hautement réactives, elles se recombinent habituellement pour former de l'hydrogène H2 suivant l'équation :More specifically, the formation of H 2 passes through the formation of intermediate compounds which are hydrogen atoms adsorbed on the surface of the cathode with varying energies and degrees of interaction and / or radical hydrogen atoms. (or H * lectrode the Krόger-Vink notation). These species being highly reactive, they usually recombine to form hydrogen H 2 according to the equation:
2" Electrode → " 22 "Electrode → " 2
La présente invention vise à réduire la quantité de gaz carbonique existant, par exemple en recyclant ce gaz carbonique sous forme de composés utilisables dans le domaine de la chimie ou dans le domaine de la production d'énergie. A cette fin, l'invention propose un procédé d'électrolyse de vapeur d'eau introduite sous pression dans un compartiment anodique d'un électro- lyseur muni d'une membrane conductrice protonique réalisée dans un matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées dans cette membrane sous vapeur d'eau, une oxydation d'eau introduite sous forme de vapeur étant effectuée à l'anode de façon à générer des espèces protonées dans la membrane qui migrent au sein de cette même membrane et se réduisent à la surface de la cathode sous forme d'atomes d'hydrogène réactifs aptes à réduire le dioxyde de carbone CO2 et/ou le monoxyde de carbone CO, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - l'introduction du CO2 et/ou du CO sous pression dans le compartiment cathodique de l'électrolyseur,
- la réduction du CO2 et/ou du CO introduit dans le compartiment cathodique à partir desdits atomes générés d'hydrogène réactifs de telle sorte que le CO2 et/ou le CO forment des composés du type CxHyOz, avec x≥i ; y compris entre O et 2x+2 et z compris entre O et 2x. Comme expliqué plus haut, on entend par atomes d'hydrogène réactifs des atomes d'hydrogène adsorbés à la surface de la cathode avec des énergies et des degrés d'interaction variables et/ou des atomes d'hydrogène radicalaire H- (ou H*lectrode dans la notation de Kroger- Vink).The present invention aims to reduce the amount of carbon dioxide existing, for example by recycling this carbon dioxide in the form of compounds used in the field of chemistry or in the field of energy production. To this end, the invention proposes a method of electrolysis of water vapor introduced under pressure into an anode compartment of an electrolyser provided with a proton conducting membrane made of a material allowing the incorporation of protonated species. in this membrane under water vapor, an oxidation of water introduced in the form of vapor is carried out at the anode so as to generate protonated species in the membrane which migrate within this same membrane and reduce to the surface of the cathode in the form of reactive hydrogen atoms capable of reducing carbon dioxide CO 2 and / or carbon monoxide CO, said process comprising the following steps: introduction of CO 2 and / or CO under pressure in the cathode compartment of the electrolyser, the reduction of the CO 2 and / or of the CO introduced into the cathode compartment from said generated atoms of reactive hydrogen so that the CO 2 and / or the CO form compounds of the C x H y O z type , with x≥i; between 0 and 2x + 2 and z between 0 and 2x. As explained above, reactive hydrogen atoms are understood to mean hydrogen atoms adsorbed on the surface of the cathode with varying energies and degrees of interaction and / or radical hydrogen atoms H- (or H *) electrode in scoring Kroger- Vink).
L'invention résulte de la constatation que le second procédé décrit ci- dessus génère de l'hydrogène hautement réactif à la cathode de l'électrolyseur (notamment des atomes d'hydrogène adsorbés en surface de l'électrode et/ou radicalaire).The invention results from the observation that the second method described above generates highly reactive hydrogen at the cathode of the electrolyser (in particular hydrogen atoms adsorbed at the surface of the electrode and / or radical).
Ces atomes d'hydrogène hautement réactifs Hξlectmde sont formés à la surface de cathode selon la réaction :These highly reactive hydrogen atoms Hξ lectmde are formed on the cathode surface according to the reaction:
e + OHo → O* + HE x lectrode e + OH o → O * + H E x electrode
De fait, en présence de CO2 et/ou de CO du coté cathodique, l'hydrogène H*lectrode hautement réactif réagit avec les composés carbonés sur l'électrode pour donner des composés réduits du dioxyde et/ou du mo- noxyde de carbone du type CxHyOz avec x>1 ; y compris entre O et 2x+2 et z compris entre O et 2x).In fact, in the presence of CO 2 and / or CO on the cathode side, the highly reactive hydrogen electrode reacts with the carbon compounds on the electrode to give reduced compounds of the dioxide and / or carbon monoxide. of the type C x H y O z with x>1; including between O and 2x + 2 and z between O and 2x).
A titre d'exemple, ces composés sont des paraffines CnH2n+2, des olé- fines C2nH2n, des alcools CnH2n+2OH ou CnH2n-1OH, des aldéhydes et des cétones CnH2nO, des acides Cn-1H2n+1COOH avec n>1.By way of example, these compounds are paraffins C n H 2n + 2 , olefins C 2n H 2n , alcohols C n H 2n + 2 OH or C n H 2n-1 OH, aldehydes and ketones C n H 2n O, C n-1 H 2n + 1 COOH acids with n> 1.
L'invention permet ainsi d'électrolyser de la vapeur avec électroréduction conjointe de dioxyde de carbone et/ou de monoxyde de carbone comme décrit ultérieurement.The invention thus makes it possible to electrolyze steam with joint electroreduction of carbon dioxide and / or carbon monoxide as described later.
Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plu- sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le procédé comprend une étape de contrôle de la nature des composés du type CxHyOz, formés en fonction du couple potentiel/courant appliqué à la cathode ;The process according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination: the method comprises a step of controlling the nature of the compounds of the C x H y O z type, formed as a function of the potential / current torque applied to the cathode;
- le procédé comprend une étape d'utilisation d'une membrane conductrice protonique imperméable à la diffusion de l'oxygène O2 etthe method comprises a step of using a proton conducting membrane impervious to the diffusion of oxygen O 2 and
H2 permettant l'incorporation d'espèces protonées dans la membrane sous pression de vapeur ;H2 allowing the incorporation of protonated species into the membrane under vapor pressure;
- le procédé comprend une étape d'utilisation d'une membrane conductrice protonique du type: perovskites lacunaires, perovskites non stœchiométriques et/ou dopés de formule générale ABO3, de structure fluorine, pyrochlore A2B2X7, apatite Me10(XO4)6Y2, oxyapa- tite Me10 (XO4)6O2, de structure hydroxyapatite Me10(XO4)6(OH)2, de structure silicates, aluminosilicate (phyllosilicates ou zéolythe), silicates greffés avec des oxyacides ou silicates greffés avec des phos- phates ;the method comprises a step of using a proton conducting membrane of the type: lacunary perovskites, non-stoichiometric and / or doped perovskites of general formula ABO 3 , of fluorine structure, pyrochlore A 2 B 2 X 7 , apatite Me 10 ( XO 4 ) 6 Y 2 , oxyapatite Me 10 (XO 4 ) 6 O 2 , of hydroxyapatite structure Me 10 (XO 4 ) 6 (OH) 2 , of silicates, aluminosilicate (phyllosilicates or zeolites) structure, silicates grafted with oxyacids or silicates grafted with phosphates;
- le procédé comprend une étape d'utilisation d'un électrolyte supporté par la cathode ou par l'anode de manière à réduire son épaisseur afin d'accroître sa tenue mécanique ; le procédé comprend une étape d'utilisation d'une pression partielle et relative de vapeur d'eau supérieure ou égale à 1 bar et inférieure ou égale à une pression de rupture de l'assemblage, cette dernière étant supérieure ou égale au minimum à 100 bars ;the method comprises a step of using an electrolyte supported by the cathode or the anode so as to reduce its thickness in order to increase its mechanical strength; the method comprises a step of using a partial and relative pressure of water vapor greater than or equal to 1 bar and less than or equal to a breaking pressure of the assembly, the latter being greater than or equal to at least 100 bars;
- la pression partielle et relative de vapeur d'eau est avantageusement supérieure ou égale à 50 bars ; - la pression relative de CO2 et/ou de CO est supérieure ou égale à 1 bar et inférieure ou égale à la pression de rupture de l'assemblage, cette dernière étant supérieure ou égale au minimum à 100 bars ;the partial and relative pressure of water vapor is advantageously greater than or equal to 50 bars; - the relative pressure of CO 2 and / or CO is greater than or equal to 1 bar and less than or equal to the breaking pressure of the assembly, the latter being greater than or equal to at least 100 bar;
- la température d'électrolyse est supérieure ou égale à 200 °C et inférieure ou égale à 800 °C, avantageusement comprise entre 350 °C et 650 °C ; les électrodes, de structure poreuse, sont soit des cermets, soit des électrodes « céramiques» à conduction mixte électronique et ionique ;
- les cermets sont, pour les cathodes, des céramiques compatibles avec l'électrolyte dans lesquelles la nature du métal dispersé est avantageusement un métal et ou un alliage de métaux parmi lesquels on peut citer des métaux comme le cobalt, cuivre, molyb- dène, argent, fer, zinc, métaux nobles (or, platine, palladium) et/ou des éléments de transitions ;- The electrolysis temperature is greater than or equal to 200 ° C and less than or equal to 800 ° C, preferably between 350 ° C and 650 ° C; the electrodes, of porous structure, are either cermets or "ceramic" electrodes with mixed electronic and ionic conduction; the cermets are, for the cathodes, ceramics compatible with the electrolyte in which the nature of the dispersed metal is advantageously a metal and or an alloy of metals among which mention may be made of metals such as cobalt, copper, molybdenum, silver, iron, zinc, noble metals (gold, platinum, palladium) and / or elements of transitions;
- les cermets sont, pour les anodes, des céramiques compatibles avec l'électrolyte dans lesquelles la nature du métal dispersé est avantageusement un alliage métallique ou un métal passivable. L'invention concerne également un dispositif d'électrolyse de vapeur d'eau introduite sous pression dans un compartiment anodique d'un électro- lyseur munie d'une membrane conductrice protonique, réalisée dans un matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées dans cette membrane sous vapeur d'eau après oxydation, comprenant : - un électrolyte sous forme de membrane conductrice ionique réalisée dans ledit matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées sous l'effet de la pression d'eau dans ladite membrane,the cermets are, for the anodes, ceramics compatible with the electrolyte in which the nature of the dispersed metal is advantageously a metal alloy or a passivable metal. The invention also relates to a device for electrolysis of water vapor introduced under pressure into an anode compartment of an electrolyzer provided with a proton conducting membrane, made of a material allowing the incorporation of protonated species into this chamber. membrane under water vapor after oxidation, comprising: an electrolyte in the form of an ionic conductive membrane made in said material allowing the incorporation of protonated species under the effect of the water pressure in said membrane,
- une anode,an anode,
- une cathode, - un générateur permettant de générer du courant et d'appliquer une différence de potentiel entre ladite anode et ladite cathode, caractérisé en ce qu'il comprend :a cathode, a generator making it possible to generate current and to apply a potential difference between said anode and said cathode, characterized in that it comprises:
- des moyens pour l'insertion sous pression de vapeur d'eau dans ledit électrolyte via la dite anode ; - des moyens pour introduire du CO2 et/ou du CO sous pression dans le compartiment cathodique de l'électrolyseur, etmeans for the insertion under pressure of steam into said electrolyte via said anode; means for introducing CO 2 and / or CO under pressure into the cathode compartment of the electrolyser, and
- des moyens pour réduire le CO2 et/ou le CO introduit dans le compartiment cathodique selon un procédé conforme à l'une des réalisations précédentes. Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées est imperméable aux gaz O2 et H2 ;- Means for reducing CO 2 and / or CO introduced into the cathode compartment according to a method according to one of the preceding embodiments. The device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination: the material allowing the incorporation of protonated species is impermeable to the O 2 and H 2 gases;
- le matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées un taux de densification supérieur à 88%, de préférence égal au minimum à 94%. ;- The material for the incorporation of protonated species densification rate greater than 88%, preferably at least 94%. ;
- le matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées est un oxyde lacunaire en atomes d'oxygène tel qu'une perovskite lacunaire en oxygène agissant comme conducteur protonique ; dans ce cas, l'oxyde lacunaire en atomes d'oxygène peut présenter des écarts stœchiométriques et/ou être dopé.the material allowing the incorporation of protonated species is a lacunary oxide into oxygen atoms such as a lacunary perovskite into oxygen acting as a proton conductor; in this case, the lacunary oxide in oxygen atoms may have stoichiometric differences and / or be doped.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :Other features and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, as an indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, among which:
- les figures 1 et 2, déjà décrites, sont des représentations schémati- ques simplifiées d'électrolyseurs de vapeur d'eau, etFIGS. 1 and 2, already described, are simplified schematic representations of electrolysers of water vapor, and
- la figure 3 est une représentation schématique simplifiée d'un élec- trolyseur de vapeur effectuant une électroréduction conjointe de CO2 et/ou de CO.FIG. 3 is a simplified schematic representation of a steam electrolyser effecting a joint electroreduction of CO 2 and / or CO.
La figure 3 représente de manière schématique et simplifiée un mode de réalisation d'un dispositif 30 d'électrolyse pour la production d'hydrogène mettant en œuvre le procédé d'électroréduction conjointe de CO2 et/ou de CO selon l'invention.FIG. 3 is a schematic and simplified representation of an embodiment of an electrolysis device 30 for the production of hydrogen implementing the joint electroreduction method of CO2 and / or CO according to the invention.
Ce dispositif d'électrolyse 30 a une structure semblable à celle du dispositif 20 de la figure 2. Ainsi, il comporte : - une anode 32,This electrolysis device 30 has a structure similar to that of the device 20 of FIG. 2. Thus, it comprises: an anode 32,
- une cathode 33,a cathode 33,
- un électrolyte 31 ,an electrolyte 31,
- un générateur 34 assurant une différence de potentiel entre l'anode 32 et la cathode 33, - les moyens 35 permettant d'insérer sous pression de la vapeur d'eau pH2O dans la membrane 31 via la cathode 33 (la pression partielle et relative de vapeur d'eau est supérieure ou égale à 1 bar et inférieure
ou égale à une pression de rupture de l'assemblage, cette dernière étant supérieure ou égale au minimum à 100 bars).- A generator 34 providing a potential difference between the anode 32 and the cathode 33, - the means 35 for inserting under pressure water vapor pH 2 O into the membrane 31 via the cathode 33 (the partial pressure and relative water vapor is greater than or equal to 1 bar and lower or equal to a breaking pressure of the assembly, the latter being greater than or equal to at least 100 bars).
Conformément à l'invention, il comprend en outre des moyens 36 permettant d'insérer sous pression du gaz (pCO2 ou/et CO) dans le compar- timent cathodique 33According to the invention, it further comprises means 36 for inserting under pressure gas (pCO 2 and / or CO) into the cathode compartment 33
L'injection de la vapeur se fait via les moyens 35 au niveau de l'anode 32 tandis que l'injection du gaz CO2 et/ou CO se fait via les moyens 36 au niveau de la cathode 33.The steam is injected via the means 35 at the level of the anode 32 while the injection of the CO 2 gas and / or CO is via the means 36 at the level of the cathode 33.
A l'anode 32, l'eau est oxydée en libérant des électrons tandis que des ions H+ (sous forme OH0 ) sont générés selon un procédé analogue au procédé décrit à l'aide de la figure 2.At the anode 32, the water is oxidized by releasing electrons while H + ions (in OH 0 form) are generated according to a process similar to the method described with reference to FIG.
Ces ions H+ migrent à travers l'électrolyte 31 , les composés carbonés du type CO2 et/ou CO réagissant à la cathode 33 avec ces ions H+ pour former des composés de type CxHyOz (avec x>1 ; y compris entre O et 2x+2 et z compris entre O et 2x) et de l'eau à la cathode.These H + ions migrate through the electrolyte 31, carbon compounds of the CO 2 and / or CO type reacting at the cathode 33 with these H + ions to form compounds of the C x H y O z type (with x> 1 including between 0 and 2x + 2 and z between 0 and 2x) and water at the cathode.
Les équations chimiques des différentes réactions peuvent notamment s'écrire :The chemical equations of the different reactions can be written in particular:
(6n + 2)HE x lectrode + nCO2 → CnH2n+2 + InH2O 6nH x lectrode + nCO2 → CnH2n + InH2O(6n + 2) H E x electrode + nCO 2 → C n H 2n + 2 + InH 2 O 6nH x electrode + nCO 2 → C n H 2n + InH 2 O
^HE x Uctrode + nCO2 → CnH2n+2O + (In - I)H2O (6n - 2)HE x lectnde + nCO2 → CnH2nO + (In - I)H2O^ H E x Uctrode + n CO 2 → C n H 2n + 2 O + (In - I) H 2 O (6n - 2) H E x lectnde + n CO 2 → C n H 2n O + (In - I) H 2 O
La nature du composé formé dépendant des conditions opératoires, la réaction globale de formation de CxHyOz peut donc s'écrire :Since the nature of the compound formed depends on the operating conditions, the overall formation reaction of C x H y O z can therefore be written as follows:
(Ax - 2z + y)HE x lectrode + xC02 → CxH yOz + (2x - Z)H2O(Ax - 2z + y) H E x electrode + xC0 2 → C x H y O z + (2x - Z) H 2 O
La nature des composés CxHyOz synthétisés à la cathode dépend de nombreux paramètres opératoires telles que, par exemple, la pression des
gaz, la température T1 de fonctionnement et le couple potentiel/courant appliqué à la cathode comme décrit ci-dessous :The nature of the compounds C x H y O z synthesized at the cathode depends on numerous process parameters such as, for example, pressure gas, the operating temperature T1 and the potential / current torque applied to the cathode as described below:
Concernant la pression des gaz, la pression relative de CO2 et/ou de CO est supérieure ou égale à 1 bar et inférieure ou égale à la pression de rupture de l'assemblage, cette dernière étant supérieure ou égale au minimum à 100 bars.As regards the pressure of the gases, the relative pressure of CO 2 and / or CO is greater than or equal to 1 bar and less than or equal to the rupture pressure of the assembly, the latter being greater than or equal to at least 100 bars.
On notera que l'on désigne ici par le terme pression relative la pression d'insertion par rapport à la pression atmosphérique.It will be noted that the term "relative pressure" refers to the insertion pressure relative to the atmospheric pressure.
On notera qu'il est possible d'utiliser soit un courant gazeux contenant uniquement de la vapeur d'eau soit un courant gazeux contenant partiellement de la vapeur d'eau. Ainsi, selon les cas, le terme « pression partielle » désignera soit la pression totale du courant gazeux dans le cas où ce dernier est constitué uniquement de vapeur d'eau ou la pression partielle de vapeur d'eau dans le cas où le courant gazeux comprend d'autres gaz que la vapeur d'eau.Note that it is possible to use either a gas stream containing only water vapor or a gas stream containing partially water vapor. Thus, depending on the case, the term "partial pressure" denotes either the total pressure of the gas stream in the case where the latter consists solely of water vapor or the partial pressure of water vapor in the case where the gas stream includes other gases than water vapor.
Précisons que la pression totale imposée dans un compartiment - cathodique ou anodique - peut être compensée dans l'autre compartiment de manière à avoir une différence de pression entre les deux compartiments pour éviter la rupture de l'assemblage membrane, électrode support si celui- ci à une résistance à la rupture trop faible.Note that the total pressure imposed in one compartment - cathodic or anodic - can be compensated in the other compartment so as to have a pressure difference between the two compartments to prevent rupture of the membrane assembly, support electrode if it to a breaking strength too low.
Concernant la température T1 de fonctionnement du dispositif 30, cette dernière dépend du type de matériau utilisé pour la membrane 31 ; en tout état de cause, cette température est supérieure à 200 °C et généralement inférieure à 800°C, voire inférieure à 600°C. Cette température de fonctionnement correspond à une conduction assurée par des protons H+.Regarding the T1 operating temperature of the device 30, the latter depends on the type of material used for the membrane 31; in any case, this temperature is greater than 200 ° C and generally less than 800 ° C, or even lower than 600 ° C. This operating temperature corresponds to a conduction provided by H + protons.
La température T1 de fonctionnement du dispositif 30 dépend également, dans la plage entre 200 et 800 °C, suivant la nature des composés carbonés CxHyOz qu'on souhaite générer.The operating temperature T1 of the device 30 also depends, in the range between 200 and 800 ° C, depending on the nature of the carbon compounds C x H y O z it is desired to generate.
De fait, une forte variété de composés peuvent être obtenus comme du méthane, du méthanol, du formaldéhyde, des acides carboxyliques (acide formique, ...) et d'autres composés à plus longues chaînes, ceci pouvant aller jusqu'à la formation d'essence synthétique.
Par exemple, on peut avoir pour réactions à la cathode les réactions suivantes :In fact, a large variety of compounds can be obtained such as methane, methanol, formaldehyde, carboxylic acids (formic acid, ...) and other compounds with longer chains, this can go as far as formation synthetic gasoline. For example, one can have for reactions to the cathode the following reactions:
8H*lectrode + CO2 → CH4 + IH2O *>HLtrode + CO2 → CH2 + 2H2O8H * electrode + CO 2 → CH 4 + IH 2 O *> HL trode + CO 2 → CH 2 + 2H 2 O
*>HLtrode + CO2 → CH3OH + H2O*> HL trode + CO 2 → CH 3 OH + H 2 O
4H*lectrode + CO2 → CH2O + H2O4H * electrode + CO 2 → CH 2 O + H 2 O
HE x lectrode + CO2 → COOHH E x electrode + CO 2 → COOH
Concernant le couple potentiel/courant appliqué à la cathode, il convient de noter que la nature des composés carbonés formés dépend également de ce potentiel. De fait, plus le milieu cathodique est réducteur (potentiel oxydo-réducteur E faible), plus les composés carbonés générés sont hydrogénées comme schématisé sur le diagramme ci-dessous (R étant par exemple un groupement alkyl).As regards the potential / current torque applied to the cathode, it should be noted that the nature of the carbon compounds formed also depends on this potential. In fact, the more the cathodic medium is reducing (low redox potential E), the more the carbon compounds generated are hydrogenated as shown diagrammatically in the diagram below (R being, for example, an alkyl group).
E 7IE 7I
R-CH3 <R-CH2OH< R-COH < R-COOH 4R-CH 3 <R-CH 2 OH <R-COH <R-COOH 4
Hvdroeénation 71Hvdroeénation 71
Pour la réalisation avantageuse de ces réactions, il est nécessaire d'avoir des électrodes présentant un grand nombre de points triples, à savoir des points ou des surfaces de contact entre un conducteur ionique, un conducteur électronique et une phase gaz.For the advantageous realization of these reactions, it is necessary to have electrodes having a large number of triple points, namely points or contact surfaces between an ion conductor, an electronic conductor and a gas phase.
Par exemple, des électrodes envisagées sont préférentiellement des cermets formés par un mélange de céramique conductrice ionique, et d'un métal conducteur électronique.For example, electrodes envisaged are preferably cermets formed by a mixture of ionic conducting ceramic, and an electronically conductive metal.
Toutefois, l'utilisation d'électrodes « toute céramique » conductrices électroniques peut être également envisagée à la place d'un cermet.
II convient de noter qu'un électrolyte donné peut-être un conducteur protonique ou ionique O2" en fonction de la température et de la pression de la vapeur appliquée.However, the use of electrically conductive "all ceramic" electrodes can also be considered in place of a cermet. It should be noted that a given electrolyte may be a proton or ionic conductor O 2 " depending on the temperature and pressure of the applied vapor.
Mais l'utilisation de membranes conductrice protonique, générant de l'hydrogène (sous forme d'atome d'hydrogène plus ou moins adsorbé à la surface de la cathode) hautement plus réactif que de l'hydrogène H2 (ou dihydrogène), permettent ainsi une meilleure hydrogénation du CO2 et CO comparativement à un procédé d'hydrogénation classique (en présence de H2). De plus, l'utilisation de membranes ionique conductrice H+ fonctionnant à température modérée permettent la synthèse de composé complexe du type CxHyOz (avec x, y et z supérieur à 1 ) tandis que l'utilisation de membranes conductrice O2", fonctionnant à beaucoup plus haute température, génère préférentiellement du CO, produit stable à haute température. L'objectif des études mises en œuvre est d'obtenir le maximum de rendement pour la production d'hydrogène et/ou l'hydrogénation du CO2 et/ou du CO. Pour ce faire, il faut que la majorité du courant utilisé intervienne dans le processus faradique, c'est-à-dire soit utilisé pour la réduction de l'eau et en conséquence la production d'hydrogène hautement réactif. C'est ainsi que la tension utilisée pour la polarisation doit être affectée au minimum parBut the use of proton conductive membranes, generating hydrogen (in the form of a hydrogen atom more or less adsorbed on the surface of the cathode) highly more reactive than hydrogen H 2 (or dihydrogen), allow thus a better hydrogenation of CO 2 and CO compared to a conventional hydrogenation process (in the presence of H 2 ). In addition, the use of H + conductive ionic membranes operating at moderate temperature allows the synthesis of complex compound of the C x H y O z type (with x, y and z greater than 1) while the use of conductive membranes O 2 " , operating at a much higher temperature, preferentially generates CO, stable product at high temperature.The objective of the studies implemented is to obtain the maximum yield for the production of hydrogen and / or the hydrogenation of the product. CO 2 and / or CO. To do this, it is necessary that the majority of the current used intervenes in the faradic process, that is to say is used for the reduction of the water and consequently the production of hydrogen This means that the voltage used for the polarization must be at least affected by
- les surtensions aux électrodes- the surges at the electrodes
- les résistances de contact au niveau des interfaces électro- des/électrolytes, - la chute ohmique au sein des matériaux et en particulier à l'intérieur de l 'électrolyte- contact resistances at the electrodes / electrolytes interfaces, - ohmic drop within the materials and in particular inside the electrolyte
- la tension thermodynamique standard de réaction aux électrodes. Dans ce contexte, la présente invention propose l'utilisation d'électrolyte conducteur protonique sous pression de vapeur pour l'électrolyse de l'eau à haute température pour la production d'hydrogène ainsi que pour l'électroréduction à la cathode du CO2 et/ou du CO. Ainsi, le procédé comporte les étapes suivantes :
- insertion d'espèces protonées sous l'effet de la pression d'un courant gazeux contenant de la vapeur d'eau, dans ladite membrane,the standard thermodynamic voltage of reaction with the electrodes. In this context, the present invention proposes the use of proton conductive electrolyte under vapor pressure for the electrolysis of water at high temperature for the production of hydrogen and for the electroreduction at the cathode of CO 2 and / or CO. Thus, the method comprises the following steps: - insertion of protonated species under the effect of the pressure of a gaseous stream containing water vapor, in said membrane,
- électrolyse de la vapeur d'eau et réduction du gaz (CO2 et/ou CO) dans le compartiment cathodique. Grâce au courant gazeux contenant de la vapeur d'eau, on favorise la protonation de la membrane par la vapeur d'eau sous pression et on utilise avantageusement cette pression pour obtenir la conductivité recherchée à une température donnée. Un tel procédé est décrit, par exemple, dans la demande de brevet française déposée sous le numéro 07/55418 le 1 Juin 2007.- Electrolysis of water vapor and reduction of the gas (CO 2 and / or CO) in the cathode compartment. Thanks to the gaseous stream containing water vapor, the protonation of the membrane is promoted by the steam under pressure and this pressure is advantageously used to obtain the desired conductivity at a given temperature. Such a method is described, for example, in the French patent application filed under number 07/55418 on June 1, 2007.
Comme indiquée dans cette demande, le déposant a observé que l'augmentation de la pression partielle et relative de vapeur d'eau entraîne une augmentation de la conductivité ionique de la membrane.As indicated in this application, the Applicant has observed that increasing the partial and relative pressure of water vapor causes an increase in the ionic conductivity of the membrane.
Cette corrélation entre l'augmentation de pression partielle et relative avec l'augmentation de conductivité permet de travailler à plus basse température avec des matériaux adaptés. En d'autres termes, la baisse de conductivité entraînée par un fonctionnement à plus basse température est compensée par l'augmentation de la pression partielle et relative de vapeur d'eau. Conformément à l'invention, il est produit à la cathode de l'hydrogèneThis correlation between the increase of partial and relative pressure with the increase of conductivity makes it possible to work at lower temperature with suitable materials. In other words, the decrease in conductivity caused by operation at lower temperature is compensated by the increase in the partial and relative pressure of water vapor. According to the invention, it is produced at the cathode of hydrogen
« hautement réactif » pouvant générer de l'hydrogène (H2), en absence de composé réductible, ou des composés du type CχHyOz, en présence de CO2 et/ou CO avec x≥i ; y compris entre O et 2x+2 et z compris O et 2x."Highly reactive" capable of generating hydrogen (H 2 ), in the absence of a reducible compound, or compounds of the CχH y Oz type, in the presence of CO 2 and / or CO with x≥i; including between O and 2x + 2 and z including O and 2x.
La membrane à conduction protonique est réalisée dans un matériau favorisant l'insertion d'eau tel qu'un matériau perovskite dopé de formule générale AB1-xDχθ3-χ/2. Les matériaux utilisés pour l'anode et la cathode sont préférentiellement des cermets (mélange de métal avec le matériau perovskite utilisé pour l'électrolyte). La membrane est de préférence imperméable aux gaz O2 et H2. De façon générale, la membrane peut être du type : perovskites lacunaires, perovskites non stœchiométriques et/ou dopés de formule générale ABO3, de structures fluorine, pyrochlore A2B2X7, apatite Me-ιo(XO4)6Y2, oxyapatite Me10 (XO4)6O2 et les structures hydroxyapatite Me10(XO4)6(OH)2,
de structures silicates, alumine-silicates (phyllosilicates ou zéolithe), silicates greffés avec des oxyacides, silicates greffés avec des phosphates.The proton conduction membrane is made of a material promoting the insertion of water such as a doped perovskite material of general formula AB 1-x Dχθ 3 -χ / 2 . The materials used for the anode and the cathode are preferably cermets (a mixture of metal with the perovskite material used for the electrolyte). The membrane is preferably impermeable to O 2 and H 2 gases. In general, the membrane may be of the type: lacunary perovskites, non-stoichiometric and / or doped perovskites of general formula ABO 3 , of fluorine structures, pyrochlore A 2 B 2 X 7 , apatite Me-ιo (XO 4 ) 6 Y 2 , oxyapatite Me 10 (XO 4 ) 6 O 2 and hydroxyapatite structures Me 10 (XO 4 ) 6 (OH) 2 , silicate structures, alumina-silicates (phyllosilicates or zeolite), silicates grafted with oxyacids, silicates grafted with phosphates.
Plus généralement, les électrolytes pourront être avantageusement l'ensemble des composés utilisés comme conducteurs protoniques à haute température ou température intermédiaire soit de par leur structure en tunnel ou en feuillets et/ou par la présence de lacunes capables d'insérer des espèces protonées dont la taille moléculaire est faible.More generally, the electrolytes may advantageously be all of the compounds used as proton conductors at high temperature or intermediate temperature either by their tunnel structure or in sheets and / or by the presence of gaps capable of inserting protonated species whose Molecular size is low.
La présente invention est susceptible de nombreuses variantes. Notamment, le matériau permettant l'incorporation d'espèces protonées peut être imperméable aux gaz O2 et H2 et/ou peut permettre l'incorporation d'espèces protonées a un taux de densification supérieur à 88%, de préférence égal au minimum à 94%.The present invention is capable of many variants. In particular, the material allowing the incorporation of protonated species may be impermeable to O 2 and H 2 gases and / or may allow the incorporation of protonated species at a densification rate greater than 88%, preferably at least equal to 94%.
De fait, il convient de trouver un bon compromis entre le taux de densification qui doit être le plus élevé possible (notamment pour la tenue mé- canique des électrolytes et la perméation des gaz) et la capacité du matériau à permettre l'incorporation d'espèces protonées. L'augmentation de la pression partielle de vapeur d'eau qui force l'incorporation des espèces protonées dans la membrane permet de compenser l'augmentation du taux de densification. Selon une variante, le matériau permettant l'incorporation d'eau est un oxyde lacunaire en atomes d'oxygène tel qu'une perovskite lacunaire en oxygène agissant comme conducteur protonique. Par ailleurs, l'oxyde lacunaire en atomes d'oxygène peut présenter des écarts stœchiométriques et/ou est dopé. En effet, la non-stœchiométrie et/ou le dopage permettent la création de lacunes en atomes d'oxygène. Ainsi, dans le cas de la conduction protonique, l'exposition sous pression d'une perovskite présentant des écarts stœchiométriques et/ou dopée (et donc déficiente en oxygène), à la vapeur d'eau induit l'incorporation d'espèces protonées dans la structure. Les molé- cules d'eau remplissent les lacunes en oxygène et se dissocient en 2 groupement hydroxyles (ou proton H+ sur un site oxyde) selon la réaction :In fact, a good compromise must be found between the densification rate which must be as high as possible (in particular for the mechanical resistance of the electrolytes and the permeation of the gases) and the capacity of the material to allow the incorporation of protonated species. The increase in the partial pressure of water vapor which forces the incorporation of the protonated species into the membrane makes it possible to compensate for the increase in the densification rate. According to one variant, the material allowing the incorporation of water is a lacunary oxide into oxygen atoms, such as a lacunary perovskite into oxygen acting as a proton conductor. Moreover, the lacunary oxide in oxygen atoms may have stoichiometric differences and / or is doped. Indeed, non-stoichiometry and / or doping allow the creation of gaps in oxygen atoms. Thus, in the case of proton conduction, the pressure exposure of a perovskite with stoichiometric and / or doped (and therefore deficient in oxygen) deviations to water vapor induces the incorporation of protonated species into the structure. The water molecules fill the oxygen vacancies and dissociate into 2 hydroxyl groups (or H + proton on an oxide site) according to the reaction:
OQ + V0 + H2O ≈ 2OH0
On notera que d'autres matériaux que les perovskites non stœchio- métriques et/ou dopés peuvent être utilisés en tant que matériau favorisant l'incorporation d'eau et sa dissociation sous forme d'espèces protonées et/ou d'hydroxydes.O Q + V 0 + H 2 O ≈ 2OH 0 It should be noted that other materials than non-stoichiometric and / or doped perovskites can be used as a material promoting the incorporation of water and its dissociation in the form of protonated species and / or hydroxides.
On peut citer par exemple des structures cristallographiques telles que les structures fluorine, les structures pyrochlore A2B2X7, les structure apatite Me10 (XO4)6Y2, les structures oxyapatite Me10 (XO4)6O2 les structures hydroxyapatite Meio(XO4)6(OH)2, les silicates, les aluminosilicates, les phyl- losilicates, ou les phosphates.For example, crystallographic structures such as fluorite structures, pyrochlore structures A 2 B 2 X 7 , apatite structures Me 10 (XO 4 ) 6 Y 2 , oxyapatite structures Me 10 (XO 4 ) 6 O 2 hydroxyapatite Meio (XO 4 ) 6 (OH) 2 structures , silicates, aluminosilicates, phyllosilicates, or phosphates.
Ces structures peuvent éventuellement être greffées par des groupements oxyacides. De fait, toutes les structures ayant une forte affinité avec l'eau et/ou les protons peuvent être envisagées.
These structures may optionally be grafted with oxyacid groups. In fact, all structures having a high affinity with water and / or protons can be envisaged.