EP2545205A1 - Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe - Google Patents

Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe

Info

Publication number
EP2545205A1
EP2545205A1 EP11708041A EP11708041A EP2545205A1 EP 2545205 A1 EP2545205 A1 EP 2545205A1 EP 11708041 A EP11708041 A EP 11708041A EP 11708041 A EP11708041 A EP 11708041A EP 2545205 A1 EP2545205 A1 EP 2545205A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
vortex
anode
zone
upstream
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11708041A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Le Gallo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2545205A1 publication Critical patent/EP2545205A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical process for producing a lower molar mass reaction gas than that of the initial constituent (s) (ux) in the form of gas or vapor, according to which the gas or vapor of the initial constituent (s) (ux) and the reaction gas is recovered in the flow path of the initial constituent (s) (ux).
  • EHT high temperature water
  • EVHT electrolysis of high temperature water vapor
  • An electrochemical reactor comprises a plurality of elementary cells formed by a cathode and an anode separated by an electrolyte, the elementary cells being connected electrically in series by means of interposed interconnecting plates, generally between an anode of an elementary cell and a cathode of the next elementary cell.
  • Anode-anode connection followed by cathode-cathode connection is also possible.
  • Interconnecting plates are electronic conductive components formed by one or more metal plates. These plates also ensure the separation between the cathodic fluid circulating at the level of an elementary cell of the anode fluid flowing in a next elementary cell.
  • the anode and the cathode are porous material in which the gases can flow.
  • water vapor circulates at the cathode where hydrogen is generated in gaseous form, and a draining gas can circulate at the same time. level of the anode and thus collects oxygen generated in gaseous form at the anode.
  • Most high temperature electrolysers use air as the draining gas at the anode.
  • the fluid at the outlet to the cathode comprises not only the hydrogen gas that is to be produced, but also the excess water vapor with respect to the electrochemical reaction of electrolysis itself.
  • conversion rates of electrolysers at high temperatures are not 100%. Indeed, to promote a medium density of production, it is usually carried out voluntary overeating water vapor, which is to the detriment reaching a high rate of water vapor utilization (or hydrogen conversion rate).
  • the first option has the disadvantage of a decrease in average production
  • the second option has the disadvantage of an implementation (water vapor circuit to be realized) which can be complex.
  • An object of the invention is therefore to overcome all or part of the disadvantages of the prior art and therefore to provide a solution that at least improve the production efficiency of hydrogen in a high temperature electrolyzer.
  • a more general object of the invention is to propose a solution which makes it possible to improve the yield of an electrochemical process with a view to producing a reaction gas with a molar mass lower than that of the initial constituent (s) (ux). ) in the form of gas or vapor, according to which the gas or vapor of the initial constituent (s) (ux) is circulated and the reaction gas is recovered in the circulation path of the constituent (s) ) initial (ux).
  • the subject of the invention is an electrochemical process for producing a reaction gas of molar mass lower than that of the initial constituent (s) (ux) in the form of gas or vapor, according to which the gas or vapor of the initial constituent (s) (ux) is circulated and the reaction gas is recovered in the circulation path of the initial constituent (s) (ux), characterized in that at least one vortex is created in an area upstream of the reaction gas recovery zone, the vortex being capable of separating the reaction gas produced from the initial constituent (s) (ux) still present ( s) in order to subject the latter (s) electrochemistry in said upstream zone.
  • an area upstream of the reaction gas recovery zone is to be considered in the broad sense as being a reaction zone in which the transformation of water vapor into hydrogen takes place.
  • the invention essentially consists in slowing down the exit of the initial constituent (s) (ux) with respect to the gas resulting from the reaction which is lighter and can go out directly while the initial constituent (s) (s) ( ux) is going to be ejected tangentially to the outside of the vortex and thus again undergo electrochemistry in the upstream zone of the outlet.
  • the invention relates to a method of electrolysis of water at high temperatures according to the process described above and implemented by at least one elementary electrolysis cell formed of a cathode, anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, in which at least water vapor is circulated in contact with with the cathode from an inlet end to an outlet end through which the produced hydrogen is recovered, and wherein at least one vortex is created in an area upstream of the outlet end, the vortex (s) being capable of separating the hydrogen produced from the still present water vapor in order to subject the latter to electrolysis in said upstream zone.
  • means are thus integrated within a high temperature electrolyser to create a vortex which thus promotes the exit of the hydrogen and slow the exit of the water vapor by ejection outside the vortex.
  • a vortex allows to achieve high centripetal accelerations and thus to exercise centrifugal forces of different intensities depending on the species.
  • high temperatures it is understood in the context of the invention, temperatures of at least 450 ° C, typically between 700 ° C and 1000 ° C.
  • the electrolysis of the water targeted by the invention is preferably carried out at temperatures of between 700 ° C. and 1000 ° C.
  • a plurality of vortices are created in parallel or in series with each other in the zone upstream of the outlet end.
  • Each vortex is preferably created with a tangential velocity of at least 80 m / s, preferably greater than 100 m / s.
  • each vortex is created in such a way as to obtain an acceleration greater than 10 6 m / s 2 .
  • the invention also relates to an electrochemical reactor for producing a molar mase reaction gas lower than that of the initial constituent (s) in the form of gas or vapor, comprising a stack of cells.
  • elementary electrochemical cells each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, at least one interconnecting plate being arranged between two adjacent elementary cells and in electrical contact with an electrode of one of the two elementary cells and an electrode of the other of the two elementary cells, the interconnecting plate delimiting at least one cathode compartment and at least one anode compartment for the circulation of fluids respectively to the cathode and the anode, characterized in that it comprises means for creating at least one vortex in an area upstream of the outlet end of the cathode compartments and / or anode compartments, the vortex (s) being able to separate the gas reaction product product of the constituent (s) initial (ux) still present (s) to make it (s) last (s)
  • the means for creating the vortex (s) advantageously consist of holes drilled in the at least one interconnecting plate upstream of the outlet end of the cathode compartments.
  • the diameter of the holes is preferably less than 1 mm.
  • the invention finally relates to a plate, intended to be used as an interconnecting plate in a reactor described above, consisting of an assembly of two partially stamped sheets forming grooves in the form of grooves, the assembly comprising at least an opening through each of the two sheets assembled and made in a differently stamped end region of the grooves and holes passing through only one of the two sheets also made in the area differently stamped end of the grooves and being distributed at the periphery of the opening; the diameter of the holes being of the order of 1 mm or less and the assembly of the two sheets in the differently stamped area delimits a passage between the two sheets and between the holes and the opening on the periphery of which they are made.
  • the number of holes is even. This promotes rotation of the vortex alternately.
  • the end of the grooves is made such that a jet of gas or mixture of gas and vapor is created in said end, the jet further having a flow tangential to one of the holes.
  • the vortex phenomenon is promoted by bringing the jet tangentially.
  • FIG. 1 is a side view of an embodiment of a reactor for high temperature electrolysis according to the present invention
  • FIG. 1A is a sectional view of the reactor, FIG. 1 along plane AA
  • FIG. 1B is a sectional view of the reactor, FIG. 1 along plane BB
  • FIG. 2 is a view from above of an interconnecting plate according to the invention used in a reactor for high temperature electrolysis
  • FIG. 2A is a detailed sectional view of FIG. 2 along the axis A-A;
  • FIG. 3 is a schematic representation of the physical phenomenon according to the invention.
  • FIG. 4 is a graphical representation of the evolution of the average production as a function of the inlet water vapor flow rate, of an EHT electrolyser according to the state of the art and according to the invention respectively.
  • the invention is described in connection with a type of high temperature water electrolyser architecture to produce hydrogen. It goes without saying that the invention can be applied to other architectures as well as to other chemical or electrochemical reactors in which there is on the one hand a reaction product lighter than the initial product or products, that the transformation reaction requires time "and reconcentration" and that the device can be inserted therein.
  • the high temperatures at which the illustrated electrolyser operates are between 700 ° C and 1000 ° C.
  • upstream and downstream are used by reference with the meaning of circulation of water vapor and hydrogen produced at the cathode.
  • FIG. 1 there is shown an EHT electrolyser according to the present invention comprising a plurality of elementary cells C1, C2 ... stacked.
  • Each elementary cell comprises an electrolyte disposed between a cathode and an anode.
  • the cell C1 comprises a cathode 2.1 and an anode 4.1 between which is disposed an electrolyte 6.1, for example a solid generally of thickness 100 ⁇ for the so-called cells with electrolyte support and a few ⁇ thickness for so-called cathode support cells.
  • Cell C2 comprises a cathode 2.2 and anode 4.2, between which an electrolyte 6.2 is disposed. All electrolytes are of solid type.
  • the cathodes 2.1, 2.2 and the anodes 4.1, 4.2 are made of porous material and have for example a thickness greater than 500 ⁇ , typically of the order of mm and 40 ⁇ respectively.
  • the anode 4.1 of the cell C1 is electrically connected to the cathode 2.2 of the cell C2 by an interconnecting plate 8 coming into contact with the anode 4.1 and the cathode 2.2. Moreover, she allows the power supply of the anode 4.1 and the cathode 2.2.
  • An interconnecting plate 8 is interposed between two elementary cells C1, C2.
  • the interconnecting plate 8 defines with the adjacent anode and cathode channels for the circulation of fluids. More specifically, they define anode compartments 9 dedicated to the flow of gases at the anode 4 and cathode compartments 11 dedicated to the flow of gas at the cathode 2.
  • an anode compartment 9 is separated from a cathode compartment 11 by a wall 9.11.
  • the interconnecting plate 8 further comprises at least one duct 10 delimiting with the wall 9.11, the anode compartments 9 and the cathode compartments 11.
  • the interconnecting plate comprises a plurality of conduits 10 and a plurality of anode 9 and cathode compartments 11.
  • the conduit 10 and the compartments have hexagonal honeycomb sections, which allows to increase the density of compartments 9, 11 and ducts 10.
  • steam is circulated to each cathode 2.1, 2.2.
  • the arrows 12 in FIG. 1A thus clearly represent the path in the anode 9 and cathode compartments 11.
  • the architecture of the electrolyser further makes it possible to connect the first end 10.1 of the conduit 10 to a supply of water vapor via another conduit not shown and to connect the second end 10.2 of the conduit 10 to the cathode compartment 11.
  • the arrow 14 symbolizes the return flow of water vapor since its flow in the conduit 10 (arrow 16) to the cathode compartment 11.
  • FIGS. 1A and 1B thus clearly represent the simultaneous path in the anode and cathode compartments 11. It goes without saying that in the context of the invention the symbolized flow can just as easily be done in the other direction (arrows 12 and
  • the inventor then thought to create one or more vortices upstream of the outlet, that is to say upstream of the outlet opening dedicated to the collection of the product hydrogen.
  • the relative density between the water vapor and the hydrogen produced in the mixture arriving near the outlet of each elemental electrolysis cell is equal to 9 since the molar mass of hydrogen is equal to 2 g. -mol -1 while that of water vapor is equal to 18 g-mol -1 .
  • the two types of molecules (3 ⁇ 4 and 3 ⁇ 40) are subjected to a differentiated centrifugal force. is to promote the centrifugation of heavy molecules (3 ⁇ 40) and the extraction of light molecules (3 ⁇ 4).
  • FIGS. 2 and 2A show the means for creating the vortices to which the inventor has thought in the architecture of electrolysers with interconnection plates 8 previously described.
  • Each interconnecting plate 8 is constituted by an assembly of two stamped sheets 8.1, 8.2 partially forming stamping recesses in the form of grooves 80. As shown in Figures 2 and 2A, the assembly 8 comprises at least one opening 84 through each of the two assembled sheets.
  • This zone Z differently stamped recesses may be unsworn.
  • holes 83 pass through only one of the two plates 8.1 and are regularly distributed around the periphery of opening 84.
  • the diameter of the holes 83 is of the order of 1 mm but it can be lower.
  • the number of holes 83 is even so as to promote rotation of the vortices alternately.
  • the holes 83 are twelve in number and regularly spaced around the opening 84.
  • the assembly of the two plates 8.1, 8.2 in the differently stamped zone Z delimits a passage 840 between the two plates 8.1, 8.2 and between the holes 83 and the opening 84 (FIG. 2A).
  • the grooves 80 are the grooves dedicated to the collection of the hydrogen produced.
  • the opening 84 is the opening dedicated to the recovery of the hydrogen produced by the electrolysis reaction: it usually constitutes part of a collection assembly called clarinet and in which a pierced pipe (not shown) has climbed.
  • zone Z Due to the presence of the holes 83 of diameter less than or equal to 1 mm and the flow rate of At the entrance to zone Z, the mixture (excess water vapor and produced hydrogen) that arrives in this zone Z undergoes several vortices in parallel with tangential velocities greater than 100 m / s.
  • V tangential velocity
  • the lighter hydrogen molecules tend to be evacuated through the holes 83 in fluid communication with the recovery opening 84 (see arrow 15 in FIG. 2A).
  • the water molecules in the vapor of Excess water heavier than those of hydrogen tend to be ejected outwards and are therefore available to undergo electrolysis in zone Z, that is to say within the same electrolyser.
  • the jet has at the outlet of this end a flow tangential to the axis of each of the holes 83.
  • the phenomenon of vortices created by the holes 83 is furthermore favored.
  • FIG. 3 schematically shows the shape of the vortex-induced hydrogen gas stream V created by a hole 83, the arrows representing the direction of ejection of the water molecules.
  • FIG. 4 illustrates the increase in the overall yield provided by the invention in an EHT electrolyser:
  • the curve 3 in continuous lines represents the evolution of the average production as a function of the increase in the flow of water vapor in an electrolyser EHT according to the state of the art
  • the curve 5 in broken lines represents the evolution of the average production as a function of the increase in the flow rate of water vapor in an EHT electrolyser according to the invention
  • the invention that has just been thus consists in creating one or more vortices in an area upstream of the recovery zone, that is to say one or vortices tangentially to the axis of the recovery holes of the gases resulting from the electrochemical reaction, by slowing down the evacuation of the reaction gas (H2 in the example) and by promoting again an electrochemistry with gas or vapor which constitutes the (s) constituent (s) initial (ux).
  • the solution according to the invention is applicable to any electrochemical process in which the reaction gas has a molar mass lower than the initial constituent (s) (ux) in vapor form or of gas, insofar as the vortex (s) according to the invention makes it possible (tentatively) to separate by centrifugation the heavier molecules of the initial constituent (s) (ux) from the reaction gas.
  • the constituent (s) initial (ux) suffered (ssen) t therefore again the electrochemical reaction in the upstream zone immediately near the outlet by which the reaction gas is recovered.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

L'invention concerne un nouveau procédé d'électrochimie en vue de produire un gaz de réaction de masse molaire inférieure à celle du (des) constituant(s) initial(ux) sous la forme de gaz ou de vapeur, selon lequel on fait circuler le gaz ou vapeur du (des) constituant(s) initial(ux) et on récupère le gaz de réaction dans le trajet de circulation du (des) constituant(s) initial(ux). Selon l'invention, on crée au moins un vortex dans une zone en amont de la zone de récupération du gaz de réaction, le vortex étant apte(s) à séparer le gaz de réaction produit du (des) constituant(s) initial(ux) encore présent(s) afin de faire subir à ce(s) dernier(s) une électrochimie dans ladite zone amont. Application à l'électrolyse de l'eau à hautes températures selon laquelle on sépare grâce au(x) vortex l'hydrogène produit du surplus de vapeur d'eau afin de faire subir à cette dernière une électrolyse au sein même de l'électrolyseur.

Description

PROCEDE D'ELECTROCHIMIE A RENDEMENT AMELIORE ET REACTEUR ELECTROCHIMIQUE TEL QU'UN ELECTROLYSEUR A
HAUTE TEMPERATURE (EHT) ASSOCIE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne un procédé d' électrochimie en vue de produire un gaz de réaction de masse molaire inférieure à celle du (des) constituant ( s ) initial (ux) sous la forme de gaz ou de vapeur, selon lequel on fait circuler le gaz ou vapeur du (des) constituant ( s ) initial (ux) et on récupère le gaz de réaction dans le trajet de circulation du (des) constituant ( s ) initial (ux) .
Elle a trait à l'amélioration du rendement d'un tel procédé.
L'application principale visée par l'invention est 1 ' électrolyse de l'eau à hautes températures (EHT) aussi appelée électrolyse de vapeur d'eau à hautes températures (EVHT) .
ART ANTÉRIEUR
Un réacteur électrochimique comporte une pluralité de cellules élémentaires formées par une cathode et une anode séparées par un électrolyte, les cellules élémentaires étant raccordées électriquement en série au moyen de plaques interconnectrices interposées, en général, entre une anode d'une cellule élémentaire et une cathode de la cellule élémentaire suivante. Une connexion anode-anode suivie par une connexion cathode-cathode est également possible. Les plaques interconnectrices sont des composants conducteurs électroniques formés par une ou des plaque (s) métallique (s) . Ces plaques assurent par ailleurs la séparation entre le fluide cathodique circulant au niveau d'une cellule élémentaire du fluide anodique circulant dans une cellule élémentaire suivante.
L'anode et la cathode sont en matériau poreux dans lequel les gaz peuvent s'écouler.
Dans le cas de 1 ' électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène à hautes températures, de la vapeur d'eau circule au niveau de la cathode où est généré l'hydrogène sous forme gazeuse, et un gaz drainant peut circuler au niveau de l'anode et collecte ainsi l'oxygène généré sous forme gazeuse à l'anode. La plupart des électrolyseurs à haute température utilise de l'air comme gaz drainant au niveau de l'anode.
A ce jour, les circuits de fluides réalisés par les compartiments délimités par les plaques interconnectrices présentent une architecture relativement simple.
En général, le fluide à la sortie à la cathode comprend non seulement du gaz dihydrogène que l'on cherche à produire mais également de la vapeur d'eau en surplus par rapport à la réaction électrochimique d' électrolyse proprement dite. Autrement dit, les taux de conversions des électrolyseurs à haute température ne sont pas de 100%. En effet, pour favoriser une densité moyenne de production, on réalise usuellement une suralimentation volontaire en vapeur d'eau, ce qui se fait au détriment de l'atteinte d'un taux d'utilisation de vapeur d'eau (ou taux de conversion en hydrogène) élevé.
Ensuite, lorsqu'on souhaite approcher les 100% de conversion de vapeur d'eau en hydrogène, il apparaît nécessaire jusqu'à ce jour soit de surdimensionner la surface des cellules, soit d'optimiser la distribution des fluides sur la surface de telle manière que quel que soit le trajet suivi par la vapeur d'eau depuis son entrée, le temps de parcours soit sensiblement le même. La première option a pour inconvénient une baisse de la production moyenne, tandis que la deuxième option a pour inconvénient une mise en œuvre (circuit de vapeur d'eau à réaliser) qui peut être complexe.
En outre, beaucoup de concepteurs d' électrolyseurs EHT ont tendance à privilégier dès la phase de conception le niveau de densité de production à atteindre et donc au détriment du taux de conversion comme énoncé ci-dessus.
Enfin, pour ces mêmes concepteurs, il est aisé en sortie de cathode, de séparer la vapeur d'eau non convertie de l'hydrogène produit, comme par exemple en implantant des moyens supplémentaires en aval et à l'extérieur de 1 ' électrolyseur à hautes températures, la fonction de ces moyens supplémentaires étant de séparer la vapeur d'eau restante du gaz dihydrogène produit. Dans la plupart des conceptions d' électrolyseurs prévus à ce jour, ces moyens supplémentaires sont constitués par des condenseurs agencés à l'extérieur des électrolyseurs pour séparer l'eau de l'hydrogène. Il a été aussi évoqué en tant que moyens supplémentaires, des membranes poreuses sélectives également agencées à l'extérieur des électrolyseurs qui laissent passer préférentiellement l'hydrogène par rapport à la vapeur d'eau.
On peut donc résumer à ce jour les inconvénients des électrolyseurs à hautes températures selon l'état de l'art tels que décrits ci-dessus : leur rendement n'est pas parfait du fait qu'il reste de la vapeur d'eau en sortie et leur fonctionnement nécessite l'utilisation de moyens supplémentaires en aval pour séparer le gaz dihydrogène produit de la vapeur d'eau en surplus de la réaction d' électrolyse proprement dite .
Un but de l'invention est donc de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur et donc de proposer une solution qui permette au moins d'améliorer le rendement de production d'hydrogène dans un électrolyseur à hautes températures.
Un but plus général de l'invention est de proposer une solution qui permette d'améliorer le rendement d'un procédé électrochimique en vue de produire un gaz de réaction de masse molaire inférieure à celle du (des) constituant ( s ) initial (ux) sous la forme de gaz ou de vapeur, selon lequel on fait circuler le gaz ou vapeur du (des) constituant ( s ) initial (ux) et on récupère le gaz de réaction dans le trajet de circulation du (des) constituant (s) initial (ux) . EXPOSÉ DE L' INVENTION
Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé d' électrochimie en vue de produire un gaz de réaction de masse molaire inférieure à celle du (des) constituant ( s ) initial (ux) sous la forme de gaz ou de vapeur, selon lequel on fait circuler le gaz ou vapeur du (des) constituant ( s ) initial (ux) et on récupère le gaz de réaction dans le trajet de circulation du (des) constituant ( s ) initial (ux) caractérisé en ce qu'on crée au moins un vortex dans une zone en amont de la zone de récupération du gaz de réaction, le vortex étant apte (s) à séparer le gaz de réaction produit du (des) constituant ( s ) initial (ux) encore présent (s) afin de faire subir à ce (s) dernier (s) une électrochimie dans ladite zone amont.
Il va de soi qu'une zone en amont de la zone de récupération du gaz de réaction est à considérer au sens large comme étant une zone de réaction dans laquelle la transformation de vapeur d'eau en hydrogène a lieu.
Ainsi, l'invention consiste essentiellement à ralentir la sortie du (des) constituant ( s ) initial (ux) par rapport au gaz issu de la réaction qui plus léger va pouvoir sortir directement tandis que le (s) constituant ( s ) initial (ux) va (vont) être éjecté (s) tangentiellement vers l'extérieur du vortex et donc subir à nouveau une électrochimie dans la zone amont de la sortie.
Sous un aspect, l'invention se rapporte à un procédé d' électrolyse de l'eau à hautes températures selon le procédé décrit précédemment et mis en œuvre par au moins une cellule d' électrolyse élémentaire formée d'une cathode, d'une d'anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, selon lequel on fait circuler au moins de la vapeur d'eau en contact avec la cathode d'une extrémité d'entrée à une extrémité de sortie par laquelle on récupère l'hydrogène produit, et selon lequel on crée au moins un vortex dans une zone en amont de l'extrémité de sortie, le (s) vortex étant apte (s) à séparer l'hydrogène produit de la vapeur d'eau encore présente afin de faire subir à cette dernière une électrolyse dans ladite zone amont.
Selon l'invention, on intègre donc au sein même d'un électrolyseur à hautes températures des moyens pour créer un vortex qui favorisent donc la sortie de l'hydrogène et ralentissent la sortie de la vapeur d'eau par éjection à l'extérieur du vortex.
La création d'un vortex (ou tourbillon) permet d' atteindre des accélérations centripètes élevées et donc d'exercer des forces centrifuges d'intensités différentes suivant les espèces. Par « hautes températures », il faut comprendre dans le cadre de l'invention, des températures d'au moins 450°C, typiquement comprises entre 700°C et 1000°C.
Grâce à cette intégration, on peut envisager de réaliser un électrolyseur à hautes températures (EHT) avec une entrée pour la vapeur d'eau et une sortie unique pour l'hydrogène produit puisque la vapeur d'eau en surplus à proximité de la sortie se transforme à nouveau en hydrogène. Ainsi, un réacteur électrochimique pour électrolyse de l'eau transforme complètement la vapeur d'eau fournie en entrée sous réserve que celle-ci séjourne suffisamment longtemps. Donc, en créant un ou plusieurs vortex, les molécules d'eau vont être conservées plus longtemps dans la zone réactionnelle électrochimique active par centrifugation, elles auront une possibilité accrue de se transformer en hydrogène.
L' électrolyse de l'eau visée par l'invention est réalisée de préférence à des températures comprises entre 700°C et 1000°C.
Avantageusement pour augmenter la performance, c'est-à-dire le rendement électrochimique, on crée une pluralité de vortex en parallèle ou en série les uns des autres dans la zone en amont de l'extrémité de sortie.
Chaque vortex est créé de préférence avec une vitesse tangentielle au moins égale à 80 m/s, de préférence supérieure à 100 m/s.
De préférence encore, chaque vortex est créé de telle manière à obtenir une accélération supérieure à 106m/s2.
L' invention concerne également un réacteur électrochimique, destiné à produire un gaz de réaction de mase molaire inférieure à celle du (des) constituant ( s ) initial (ux) sous la forme de gaz ou de vapeur, comprenant un empilement de cellules d' électrochimiques élémentaires formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, au moins une plaque interconnectrice étant agencée entre deux cellules élémentaires adjacentes et en contact électrique avec une électrode d'une des deux cellules élémentaires et une électrode de l'autre des deux cellules élémentaires, la plaque interconnectrice délimitant au moins un compartiment cathodique et au moins un compartiment anodique pour la circulation de fluides respectivement à la cathode et l'anode, caractérisé en ce qu' il comprend des moyens pour créer au moins un vortex dans une zone en amont de l'extrémité de sortie des compartiments cathodiques et/ou des compartiments anodiques, le (s) vortex étant apte (s) à séparer le gaz de réaction produit du constituant ( s ) initial (ux) encore présent (s) afin de faire subir à ce (s) dernier (s) une électrochimie dans ladite zone amont.
Les moyens pour créer le (s) vortex sont constitués avantageusement par des trous percés dans la au moins une plaque interconnectrice en amont de l'extrémité de sortie des compartiments cathodiques. Cette solution est simple de mise en œuvre et peut être appliquée aisément dans tout type de plaques interconnectrices .
Avec les débits usuels rencontrés dans un électrolyseur EHT et les dimensions des cellules d' électrolyseurs , le diamètre des trous est de préférence inférieur à 1 mm.
L'invention concerne enfin une plaque, destinée à être utilisée en tant que plaque interconnectrice dans un réacteur décrit précédemment, constituée par un assemblage de deux tôles embouties partiellement en formant des creux d'embouti sous formes de rainures, l'assemblage comprenant au moins une ouverture traversant chacune les deux tôles assemblées et réalisée dans une zone différemment emboutie en extrémité des rainures et des trous traversant une seule des deux tôles également réalisés dans la zone différemment emboutie en extrémité des rainures et en étant répartis à la périphérie de l'ouverture; le diamètre des trous étant de l'ordre de 1 mm ou inférieur et l'assemblage des deux tôles dans la zone différemment emboutie délimite un passage entre les deux tôles et entre les trous et l'ouverture à la périphérie de laquelle ils sont réalisés.
De préférence, le nombre de trous est pair. On favorise ainsi la rotation des vortex de manière alternée .
De préférence encore, l'extrémité des rainures est réalisée de telle manière à ce qu'un jet de gaz ou de mélange de gaz et vapeur soit créé dans ladite extrémité, le jet ayant en outre un écoulement tangentiel à l'un des trous. On favorise le phénomène des vortex en amenant ainsi le jet de manière tangentielle .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux figures parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue de côté d'un mode de réalisation d'un réacteur pour électrolyse à hautes températures selon la présente invention,
- la figure 1A est une vue en coupe du réacteur, la figure 1 selon le plan A-A, - la figure 1B est une vue en coupe du réacteur, la figure 1 selon le plan B-B,
- la figure 2 est une vue de dessus d'une plaque interconnectrice selon l'invention utilisée dans un réacteur pour électrolyse à hautes températures,
- la figure 2A est une vue de détail en coupe de la figure 2 selon l'axe A-A,
- la figure 3 est une représentation schématique du phénomène physique selon l'invention,
- la figure 4 est une représentation graphique de l'évolution de la production moyenne en fonction du débit de vapeur d'eau en entrée, d'un électrolyseur EHT selon l'état de l'art et selon l'invention respectivement. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On décrit l'invention en relation avec un type d'architecture d' électrolyseur de l'eau à hautes températures pour produire de l'hydrogène. Il va de soi que l'invention peut s'appliquer à d'autres architectures ainsi qu'à d'autres réacteurs chimiques ou électrochimiques dans lesquels il y a d'une part un produit de réaction plus léger que le ou les produits initiaux, que la réaction de transformation nécessite du temps « et de la reconcentration » et que le dispositif puisse y être inséré. Les hautes températures auxquelles fonctionne 1 ' électrolyseur représenté sont comprises entre 700°C et 1000°C.
On précise que les termes « amont » et « aval » sont utilisés par référence avec le sens de circulation de la vapeur d'eau et de l'hydrogène produit à la cathode.
On précise que les représentations des différents éléments ne sont pas à l'échelle.
Sur la figure 1, on a représenté un électrolyseur EHT selon la présente invention comportant une pluralité de cellules élémentaires Cl, C2... empilées.
Chaque cellule élémentaire comporte un électrolyte disposé entre une cathode et une anode.
Dans la suite de la description, nous décrirons en détail les cellules Cl et C2 et leur interface .
La cellule Cl comporte une cathode 2.1 et une anode 4.1 entre lesquelles est disposé un électrolyte 6.1, par exemple solide généralement d'épaisseur 100 μιη pour les cellules dites à électrolyte support et d'épaisseur de quelques μιη pour les cellules dites à cathode support.
La cellule C2 comporte une cathode 2.2 et une anode 4.2 entre lesquelles est disposé un électrolyte 6.2. Tous les électrolytes sont de type solide .
Les cathodes 2.1, 2.2 et les anodes 4.1, 4.2 sont réalisées en matériau poreux et ont par exemple une épaisseur supérieures à 500 μιτι, typiquement de l'ordre du mm et 40 μιη respectivement.
L'anode 4.1 de la cellule Cl est reliée électriquement à la cathode 2.2 de la cellule C2 par une plaque interconnectrice 8 venant en contact avec l'anode 4.1 et la cathode 2.2. Par ailleurs, elle permet l'alimentation électrique de l'anode 4.1 et de la cathode 2.2.
Une plaque interconnectrice 8 est interposée entre deux cellules élémentaires Cl, C2.
Dans l'exemple représenté, elle est interposée entre une anode d'une cellule élémentaire et la cathode de la cellule adjacente. Mais on pourrait prévoir qu'elle soit interposée entre deux anodes ou deux cathodes.
La plaque interconnectrice 8 définit avec l'anode et la cathode adjacentes des canaux pour la circulation de fluides. Plus précisément, Ils définissent des compartiments anodiques 9 dédiés à la circulation des gaz au niveau de l'anode 4 et des compartiments cathodiques 11 dédiés à la circulation des gaz au niveau de la cathode 2.
Dans l'exemple représenté, un compartiment anodique 9 est séparé d'un compartiment cathodique 11 par une paroi 9.11. Dans l'exemple représenté, la plaque interconnectrice 8 comporte en outre au moins un conduit 10 délimitant avec la paroi 9.11, les compartiments anodiques 9 et les compartiments cathodiques 11.
Dans l'exemple représenté, la plaque interconnectrice comporte une pluralité de conduits 10 et une pluralité de compartiments anodiques 9 et cathodiques 11. De manière avantageuse, le conduit 10 et les compartiments ont des sections hexagonales, en nid d'abeille, ce qui permet d'augmenter la densité de compartiments 9, 11 et des conduits 10. Tel que représenté en figure 1A, on fait circuler de la vapeur d'eau à chaque cathode 2.1, 2.2.
Les flèches 12 de la figure 1A représentent ainsi clairement le parcours dans les compartiments anodiques 9 et cathodiques 11.
Tel que représenté en figure 1B, l'architecture de 1 ' électrolyseur permet en outre de connecter la première extrémité 10.1 du conduit 10 à une alimentation en vapeur d'eau via un autre conduit non représenté et de connecter la deuxième extrémité 10.2 du conduit 10 au compartiment cathodique 11. La flèche 14 symbolise ainsi l'écoulement de retour de la vapeur d'eau depuis son écoulement dans le conduit 10 (flèche 16) vers le compartiment cathodique 11.
On peut en outre prévoir la circulation d'un gaz drainant dans les compartiments anodiques 9 pour évacuer l'oxygène (voir flèches 13) . Les flèches
12 et 13 des figures 1A et 1B représentent ainsi clairement le parcours simultané dans les compartiments anodiques 9 et cathodiques 11. Il va de soi que dans le cadre de l'invention l'écoulement symbolisé peut tout aussi bien être fait dans l'autre sens (flèches 12 et
13 en sens opposé) .
L'inventeur a constaté qu'en extrémité de sortie de chaque cathode, il subsistait de la vapeur d'eau mélangée à l'hydrogène produit : cette vapeur d'eau est donc en surplus par rapport aux réactions d' électrolyse qui ont en lieu en amont.
Il est connu de traiter cette vapeur d'eau en surplus en la séparant de l'hydrogène produit, la plupart du temps au moyen de condenseurs agencés à l'aval de 1 ' électrolyseur .
L' inventeur a alors pensé à créer un ou plusieurs vortex en amont de la sortie, c'est-à-dire en amont de l'ouverture de sortie dédié à la collecte de l'hydrogène produit.
En effet, la densité relative entre la vapeur d'eau et l'hydrogène produit dans le mélange arrivant à proximité de la sortie de chaque cellule d' électrolyse élémentaire est égale à 9 puisque la masse molaire de l'hydrogène est égale à 2 g-mol-1 tandis que celle de la vapeur d'eau est égale à 18 g-mol-1.
Donc, en créant un ou plusieurs vortex dans le flux de circulation du mélange constitué par l'hydrogène produit et la vapeur d'eau en surplus, on soumet les deux types de molécules (¾ et ¾0) à une force centrifuge différenciée, ce qui revient à favoriser la centrifugation des molécules lourdes (¾0) et l'extraction des molécules légères (¾) .
Ce phénomène d'éjection des molécules de la vapeur d'eau en sortie est d'autant plus intense que l'on se rapproche de la sortie.
En figures 2 et 2A, on a représenté les moyens de création des vortex auxquels l'inventeur a pensé dans l'architecture d' électrolyseurs avec des plaques interconnectrices 8 décrites précédemment.
Chaque plaque interconnectrice 8 est constituée par un assemblage de deux tôles embouties 8.1, 8.2 partiellement en formant des creux d'embouti sous formes de rainures 80. Tel que représenté sur les figures 2 et 2A, l'assemblage 8 comprend au moins une ouverture 84 traversant chacune les deux tôles assemblées.
Cette ouverture 84 et réalisée dans une zone Z différemment emboutie que les creux, en extrémité des rainures 80. Cette zone Z différemment emboutie des creux peut être non emboutie.
Dans la zone Z différemment emboutie en extrémité des rainures 80, des trous 83 traversent une seule des deux tôles 8.1 en étant régulièrement répartis à la périphérie de l'ouverture 84.
Le diamètre des trous 83 est de l'ordre de 1mm mais il peut être inférieur. De préférence, le nombre de trous 83 est pair de manière à favoriser la rotation des vortex de manière alternée. Ainsi, tels que représentés en figure 2, les trous 83 sont au nombre de douze et régulièrement espacés autour de l'ouverture 84.
L'assemblage des deux tôles 8.1, 8.2 dans la zone différemment emboutie Z délimite un passage 840 entre les deux tôles 8.1, 8.2 et entre les trous 83 et l'ouverture 84 (figure 2A) .
Les rainures 80 sont les rainures dédiées à la collecte de l'hydrogène produit. De même, l'ouverture 84 est l'ouverture dédiée à la récupération de l'hydrogène produit par la réaction d' électrolyse : elle constitue usuellement une partie d'un ensemble de collecte appelé clarinette et dans laquelle un tuyau percé (non représenté) est monté.
Du fait de la présence des trous 83 de diamètre inférieur ou égal à 1mm et du débit de circulation à l'entrée de la zone Z, le mélange (vapeur d'eau en surplus et hydrogène produit) qui arrive dans cette zone Z subit plusieurs vortex en parallèle avec des vitesses tangentielles supérieures à 100 m/s.
Le mélange subit donc une accélération qui se calcule avec la formule suivante : —
Y R
dans laquelle :
γ : Accélération,
V : vitesse tangentielle,
R : Rayon du trou de sortie.
100x100 η7 , 2 s
Soit v = = 10 m/s , c'est-a-dire une
0.001
accélération proche d' 1 million de fois l'accélération terrestre .
Avec une telle accélération, les molécules d'hydrogène plus légères ont tendance à être évacuées par les trous 83 en communication fluidique avec l'ouverture de récupération 84 (voir flèche 15 en figure 2A) .Les molécules d'eau dans la vapeur d'eau en surplus plus lourdes que celles d'hydrogène ont quant à elles tendance à être éjectées vers l'extérieur et sont donc disponibles pour subir une électrolyse dans la zone Z, c'est-à-dire au sein même de 1 ' électrolyseur .
Tel que représenté en figure 2, on prévoit de réaliser avantageusement l'extrémité 800 des rainures 80 en amont de la zone Z de telle manière à ce qu'un jet d'hydrogène et vapeur d'eau soit créé dans ladite extrémité 800. En outre, le jet a à la sortie de cette extrémité un écoulement tangentiel à l'axe de chacun des trous 83. On favorise encore plus le phénomène des vortex créés par les trous 83.
La figure 3 montre schématiquement l'allure de la veine de gaz d'hydrogène V induite par le vortex créé par un trou 83, les flèches représentant le sens d'éjection des molécules d'eau.
La figure 4 illustre l'augmentation du rendement global apportée par l'invention dans un électrolyseur EHT :
- la courbe 3 en traits continus représente l'évolution de la production moyenne en fonction de l'augmentation du débit de vapeur d'eau dans un électrolyseur EHT selon l'état de l'art,
- la courbe 5 en traits discontinus représente l'évolution de la production moyenne en fonction de l'augmentation du débit de vapeur d'eau dans un électrolyseur EHT selon l'invention,
- la ligne droite LT en traits pointillés schématise l'évolution de la production moyenne en fonction de l'augmentation du débit de vapeur d'eau dans le cas théorique où l'on obtient parfaitement 100% de conversion de vapeur d'eau en hydrogène.
Il est clair que grâce à l'invention la courbe 5 est plus proche que la courbe 3 de la ligne droite théorique LT. En d'autres termes, grâce à la création de vortex selon l'invention, on tend à se rapprocher d'un taux de conversion en vapeur d'eau proche de 100%.
L'invention qui vient d'être consiste donc à créer un ou des vortex dans une zone en amont de la zone de récupération, c'est-à-dire un ou des vortex tangentiellement à l'axe des trous de récupération des gaz issus de la réaction électrochimique, en ralentissant l'évacuation du gaz de réaction (H2 dans l'exemple) et en favorisant à nouveau une électrochimie au gaz ou vapeur qui constitue le (s) constituant ( s ) initial (ux) .
On précise que comparativement aux différents procédés de créations de vortex dans l'état de l'art qui servent à séparer deux constituants, ici il y a une seule entrée de gaz/vapeur et une seule sortie de gaz, le (s) vortex étant créé (s) tangentiellement à l'axe du trou de récupération du gaz de réaction. Et contrairement aux vortex créés selon l'état de l'art grâce auxquels on éjecte les molécules les plus légères vers l'extérieur, on créé selon l'invention des vortex pour éjecter vers l'extérieur les molécules les plus lourdes, c'est-à-dire celles du (des) constituant ( s ) initial (aux) .
Les avantages de l'invention qui vient d'être décrite sont nombreux.
En effet, en intégrant des moyens de création de vortex directement au sein même d'une cellule élémentaire d' électrolyse, les avantages sont les suivants :
- augmentation du rendement global : en effet, pour une même production, il n'est pas nécessaire de mettre plus d'eau en mouvement, il y a moins d'eau à condenser,
- augmentation de l'efficacité, - simplicité de réalisation : simples trous à faire au sein même de 1 ' électrolyseur à hautes températures ,
- amélioration de la compacité par le fait qu'il y a moins de vapeur d'eau à faire circuler, et à condenser en sortie et par là cela permet de réduire les dimensions des échangeurs de chaleur.
Bien que décrite en référence à un électrolyseur à hautes températures la solution selon l'invention est applicable à tout procédé électrochimique selon lequel le gaz de réaction a une masse molaire inférieure au (x) constituant ( s ) initial (ux) sous forme vapeur ou de gaz, dans la mesure où le (s) vortex selon l'invention permet (tent) de séparer par centrifugation les molécules plus lourdes du (des) constituant ( s ) initial (ux) du gaz de réaction. Le (s) constituant ( s ) initial (ux) subi(ssen)t donc à nouveau la réaction électrochimique dans la zone amont immédiatement à proximité de la sortie par laquelle on récupère le gaz de réaction.
Par exemple, dans une pile à combustible de type protonique PEMFC, la réaction qui se produit à la cathode s'écrit de la manière suivante :
02 + 4H+ + 4e" -> 2 H20.
En créant des vortex conformes à l'invention en sortie de cathode, il est envisageable de mieux évacuer la vapeur d'eau produite que l'oxygène d' alimentation .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d' électrochimie en vue de produire un gaz de réaction de masse molaire inférieure à celle du (des) constituant ( s ) initial (ux) sous la forme de gaz ou de vapeur, selon lequel on fait circuler le gaz ou vapeur du (des) constituant ( s ) initial (ux) et on récupère le gaz de réaction dans le trajet de circulation du (des) constituant (s) initial (ux) caractérisé en ce qu'on crée au moins un vortex dans une zone en amont de la zone de récupération du gaz de réaction, le vortex étant apte (s) à séparer le gaz de réaction produit du (des) constituant ( s ) initial (ux) encore présent (s) afin de faire subir à ce (s) dernier (s) une électrochimie dans ladite zone amont.
2. Procédé d' électrolyse de l'eau à hautes températures selon la revendication 1, mis en œuvre par au moins une cellule d' électrolyse élémentaire (Cl, C2...,Cn) formée d'une cathode (2.1, 2.2), d'une d'anode (4.1, 4.2) et d'un électrolyte (6.1, 6.2) intercalé entre la cathode et l'anode, selon lequel on fait circuler au moins de la vapeur d'eau en contact avec la cathode d'une extrémité d'entrée à une extrémité de sortie par laquelle on récupère l'hydrogène produit, et selon lequel on crée au moins un vortex dans une zone en amont de l'extrémité de sortie, le (s) vortex étant apte (s) à séparer l'hydrogène produit de la vapeur d'eau encore présente afin de faire subir à cette dernière une électrolyse dans ladite zone amont.
3. Procédé d' électrolyse selon la revendication 2 à des températures comprises entre 700°C et 1000°C.
4. Procédé d' électrolyse selon la revendication 2 ou 3, selon lequel on crée une pluralité de vortex en parallèle les uns des autres dans la zone en amont de l'extrémité de sortie.
5. Procédé d' électrolyse selon la revendication 2 ou 3, selon lequel on crée une pluralité de vortex en série les uns des autres dans la zone en amont de l'extrémité de sortie.
6. Procédé d' électrolyse selon l'une des revendications précédentes, selon lequel chaque vortex est créé avec une vitesse tangentielle au moins égale à 80 m/s, de préférence supérieure à 100 m/s.
7. Procédé d' électrolyse selon l'une des revendications précédentes, selon lequel chaque vortex est créé de telle manière à obtenir une accélération supérieure à 106m/s2.
8. Réacteur électrochimique comprenant un empilement de cellules d' électrochimiques élémentaires (Cl, C2...Cn) formées chacune d'une cathode (2.1, 2.2), d'une anode (4.1, 4.2) et d'un électrolyte (6.1, 6.2) intercalé entre la cathode et l'anode, au moins une plaque interconnectrice (8) étant agencée entre deux cellules élémentaires adjacentes et en contact électrique avec une électrode d'une des deux cellules élémentaires et une électrode de l'autre des deux cellules élémentaires, la plaque interconnectrice délimitant au moins un compartiment cathodique (11) et au moins un compartiment anodique (9) pour la circulation de fluides respectivement à la cathode et l'anode, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (83) pour créer au moins un vortex dans une zone Z2 en amont de l'extrémité de sortie (82) des compartiments cathodiques et/ou des compartiments anodiques.
9. Réacteur électrochimique selon la revendication 8, dans lequel les moyens pour créer le (s) vortex sont constitués par des trous (83) percés dans la au moins une plaque interconnectrice en amont de l'extrémité de sortie des compartiments cathodiques.
10. Réacteur selon la revendication 9, dans lequel le diamètre des trous est inférieur à 1 mm.
11. Plaque (8), destinée à être utilisée en tant que plaque interconnectrice dans un réacteur selon l'une des revendications 8 à 10, constituée par un assemblage de deux tôles (8.1, 8.2) embouties partiellement en formant des creux d'embouti sous formes de rainures (80), l'assemblage comprenant au moins une ouverture (84) traversant chacune les deux tôles assemblées et réalisée dans une zone Z différemment emboutie que les creux, en extrémité (800) des rainures et, des trous (83) traversant une seule (8.1) des deux tôles également réalisés dans la zone différemment emboutie en extrémité des rainures et en étant répartis à la périphérie de l'ouverture (84); le diamètre des trous étant de l'ordre de 1 mm ou inférieur et l'assemblage des deux tôles dans la zone différemment emboutie délimite un passage (840) entre les deux tôles (8.1, 8.2) et entre les trous (83) et l'ouverture (84) à la périphérie de laquelle ils sont réalisés .
12. Plaque selon la revendication 11, dans laquelle le nombre de trous (83) est pair.
13. Plaque selon la revendication 11 ou 12, dans laquelle l'extrémité (800) des rainures est réalisée de telle manière à ce qu'un jet de gaz ou de mélange de gaz et vapeur soit créé dans ladite extrémité, le jet ayant en outre un écoulement tangentiel à l'un des trous (83) .
EP11708041A 2010-03-12 2011-03-11 Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe Withdrawn EP2545205A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1051786A FR2957362B1 (fr) 2010-03-12 2010-03-12 Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe
PCT/EP2011/053724 WO2011110675A1 (fr) 2010-03-12 2011-03-11 Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2545205A1 true EP2545205A1 (fr) 2013-01-16

Family

ID=42555649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11708041A Withdrawn EP2545205A1 (fr) 2010-03-12 2011-03-11 Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20120325677A1 (fr)
EP (1) EP2545205A1 (fr)
JP (1) JP2013522458A (fr)
KR (1) KR20130016217A (fr)
BR (1) BR112012022386A2 (fr)
CA (1) CA2792509A1 (fr)
FR (1) FR2957362B1 (fr)
WO (1) WO2011110675A1 (fr)
ZA (1) ZA201206428B (fr)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2957359B1 (fr) 2010-03-12 2012-04-20 Commissariat Energie Atomique Dispositif d'electrolyse de l'eau a haute temperature a fonctionnement ameliore
FR2957363B1 (fr) 2010-03-12 2012-04-20 Commissariat Energie Atomique Architecture d'electrolyseur a haute temperature, a production cible elevee par cellule d'electrolyse et taux de degradation des cellules limite
FR2957361B1 (fr) 2010-03-12 2012-04-20 Commissariat Energie Atomique Electrolyseur a haute temperature (eht) a surete de fonctionnement amelioree
FR2976591B1 (fr) 2011-06-16 2013-07-12 Commissariat Energie Atomique Module interconnecteur de realisation simplifiee pour dispositif d'electrolyse de l'eau a haute temperature
FR2983493B1 (fr) * 2011-12-05 2014-09-05 Commissariat Energie Atomique Procede de fonctionnement d'un electrolyseur haute temperature comportant une etape de reduction du materiau des cathodes
CN113278991B (zh) * 2021-05-26 2022-08-05 华东理工大学 一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置
CN116328471B (zh) * 2023-04-11 2025-12-02 河北金力新能源科技股份有限公司 一种用于气液相转变的分离设备

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3215650B2 (ja) * 1996-05-23 2001-10-09 日本碍子株式会社 電気化学セル、その製造方法および電気化学装置
US6338786B1 (en) * 1999-07-16 2002-01-15 Stuart Energy Systems Corporation Gas-liquid separation method and apparatus in electrolytic cells
US6887601B2 (en) * 2000-09-28 2005-05-03 Proton Energy Systems, Inc. Regenerative electrochemical cell system and method for use thereof
EP1270508B1 (fr) * 2001-06-26 2007-01-03 H2 Tec Ag Procédé et dispositif pour la préparation d'hydrogène
CA2490448A1 (fr) * 2002-06-28 2004-01-08 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Pile a combustible et empilement de piles a combustible
JP4394865B2 (ja) * 2002-06-28 2010-01-06 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP5044112B2 (ja) * 2005-09-15 2012-10-10 株式会社東芝 高温水蒸気電解装置及びその電解方法
FR2921389B1 (fr) * 2007-09-25 2010-03-12 Commissariat Energie Atomique Electrolyseur haute temperature a dispositif de recuperation d'hydrogene.

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2011110675A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20120325677A1 (en) 2012-12-27
ZA201206428B (en) 2013-05-29
FR2957362B1 (fr) 2012-04-20
JP2013522458A (ja) 2013-06-13
BR112012022386A2 (pt) 2016-07-05
FR2957362A1 (fr) 2011-09-16
CA2792509A1 (fr) 2011-09-15
KR20130016217A (ko) 2013-02-14
WO2011110675A1 (fr) 2011-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2545205A1 (fr) Procede d'electrochimie a rendement ameliore et reacteur electrochimique tel qu'un electrolyseur a haute temperature (eht) associe
EP3183379B1 (fr) Procédé d'électrolyse ou de co-électrolyse à haute température, procédé de production d'électricité par pile à combustible sofc, interconnecteurs, réacteurs et procédés de fonctionnement associés
EP2931943B1 (fr) Procede d'electrolyse a haute temperature de la vapeur d'eau et d'un autre gaz, interconnecteur, reacteur d'electrolyse et procedes de fonctionnement associes
CA2699881C (fr) Electrolyseur haute temperature a dispositif d'homogeneisation de la temperature
EP2802685B1 (fr) Installation d'electrolyse de vapeur d'eau a haute temperature (evht) a production allothermique d'hydrogene
CA2992130C (fr) Procedes d' (de co) electrolyse de l'eau (soec) ou de production d'electricite a haute temperature a echangeurs integres en tant qu'etages d'un empilement de reacteur (eht) ou d'une pile a combustible (sofc)
EP3516718B1 (fr) Procédés de co-électrolyse de l'eau et du co2 (soec) ou de production d'électricité à haute température (sofc) favorisant ou non les réactions catalytiques au sein de l'électrode h2
WO2014167477A1 (fr) Procedes d'obtention de gaz combustible a partir d'electrolyse de l'eau (eht) ou de co-electrolyse avec h2o/co2 au sein d'une meme enceinte, reacteur catalytique et systeme associes
EP2193226A2 (fr) Electrolyseur haute temperature a dispositif de recuperation d'hydrogene
WO2018210683A1 (fr) Reacteur d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression et a systeme de serrage adapte a un tel fonctionnement
WO2011110679A1 (fr) Dispositif d'electrolyse de l'eau a haute temperature a fonctionnement ameliore
EP3092672B1 (fr) Plaque de guidage d'ecoulement pour pile a combustible
EP3335264B1 (fr) Procédés d' (de co-) électrolyse de l'eau ou de production d'électricité à haute température, à faibles gradients thermiques, au sein respectivement d'un réacteur electrochimique (soec) ou d'une pile à combustible (sofc)
WO2015101924A1 (fr) Interconnecteur electrique et fluidique pour electrolyseur eht ou pile a combustible sofc.
EP1645004B1 (fr) Pile a combustible comportant des collecteurs de courant integres a l'empilement electrode-membrane-electrode
FR3069961A1 (fr) Plaque bipolaire pour ameliorer le rendement d'une pile a combustible a membrane echangeuse de protons
EP3092671B1 (fr) Plaque de guidage d'ecoulement pour pile a combustible
WO2006024759A1 (fr) Systeme etage de production d'hydrogene purifie, a partir d'un melange gazeux reactionnel comprenant un compose hydrocarbone.
FR2920594A1 (fr) Module coaxial de pile a combustible ou electrolyseur a interconnecteurs a billes
EP1763100B1 (fr) Micropile à combustible avec une membrane renforcée par un élément d'ancrage et procédé de fabrication d'une micropile à combustible
WO2020109573A1 (fr) Interconnecteur pour reacteur d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (soefc), procede de fabrication associe
EP3531053B1 (fr) Réacteur échangeur comportant des canaux d'injection et de répartition de réactifs
WO2025017176A1 (fr) Appareil de separation gaz liquide et installation d'electrolyse comportant un tel appareil
BE1031594A1 (fr) Dispositif de production de dihydrogène comportant un séparateur combiné multiétage
CA3230063A1 (fr) Interconnecteur pour empilement de cellules a oxydes solides de type soec/sofc comportant des elements en relief differents

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20120905

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20151001