EP3013738A1 - Device for the electrochemical purification and compression of hydrogen having a plurality of stages - Google Patents

Device for the electrochemical purification and compression of hydrogen having a plurality of stages

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Publication number
EP3013738A1
EP3013738A1 EP14739896.0A EP14739896A EP3013738A1 EP 3013738 A1 EP3013738 A1 EP 3013738A1 EP 14739896 A EP14739896 A EP 14739896A EP 3013738 A1 EP3013738 A1 EP 3013738A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
electrochemical
membrane
compressor
electrochemical cells
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Withdrawn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
EP14739896.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joseph NGAMENI JIEMBOU
Nicolas Guillet
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 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 et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP3013738A1 publication Critical patent/EP3013738A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water

Definitions

  • the present invention relates to a device for the purification and electrochemical compression of hydrogen with several stages of compression.
  • the subject of the invention is a device in which the constituent electrochemical cells have a smaller and smaller surface area in the direction of the hydrogen flow.
  • Electrochemical compressors for hydrogen are devices based on the proton conductive properties of certain materials. They allow to pressurize hydrogen (potentially a few hundred bars) by a simple process in one step, using a low power supply.
  • An MEA comprises a membrane consisting of a polymer proton conductor, for example a type ionomer PFSA (perfluorosulfonic acid) such as Nafion ®, separating two anode and cathode electrodes, respectively.
  • the electrodes generally comprise platinum or a platinum alloy supported by carbon.
  • the solvated protons that is to say the protons surrounded by water molecules, migrate through the ionomeric membrane under the effect of the electric field and are reduced to the cathode in the form of hydrogen according to the following half-equation : (3)
  • the electrical voltage useful for extracting hydrogen from the gaseous mixture and recovering it at the cathode at the same pressure as at the anode corresponds to the voltage required for the purification of hydrogen.
  • This voltage depends mainly on the resistance of the membrane, the electrocatalytic properties of the electrodes (charge transfer resistance) and the operating conditions.
  • E p (V) the electric voltage of the electrochemical cell for the purification of uncompressed hydrogen
  • An electrochemical cell used in this configuration is a proton pump that creates a flow of hydrogen between the anode and cathode compartments and promotes its storage under pressure.
  • the electrochemical compressors operate in stationary conditions, at a constant temperature (advantageously corresponding to the optimum temperature of the membrane constituting the electrochemical cells) and at constant constant current.
  • the electrochemical compressors with several compression stages are produced by a succession of electrochemical cells, or membrane-electrode assemblies (AME), of equivalent surfaces, and therefore operating at a constant current density.
  • AME membrane-electrode assemblies
  • the pressure at different stages of compression remains the only degree of freedom capable of influencing the operation of the compressor.
  • n g corresponding to the ratio between the number of moles of water constituting the procession surrounding the protons and the number of moles of protons crossing the membrane, depends on the operating conditions of operation, that is to say the temperature (T), the current density (j) and the partial pressure of hydrogen (P H2 ).
  • n g is illustrated by the following relation:
  • the object of the present invention is to provide a device forming a multi-stage electrochemical compressor, able to pressurize hydrogen flowing through this device.
  • This compressor comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (AME) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell.
  • AME membrane-electrode assemblies
  • the compressor is structured in such a way that the surface area of the electrochemical cells decreases according to the flow of hydrogen through the compressor.
  • a device is capable of purifying and / or pressurizing hydrogen. It can therefore be used in connection with pure hydrogen or with a gaseous mixture containing hydrogen, especially from steam reforming.
  • this device comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (AME) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell.
  • AME membrane-electrode assemblies
  • such a device is called multistage compressor. In other words, it comprises at least two AMEs, the cathode of the first MEA being arranged in series with the anode of the second MEA.
  • the first MEA is the one arranged at the inlet of the gas stream which therefore arrives at the anode of the first MEA, while the second MEA is the one disposed at the outlet of the pressurized hydrogen, collected at the level of the cathode of the second MEA.
  • the fact that the MEAs are connected in series thus makes it possible to ensure the passage of the gas flow and the flow of current along the compressor, from one electrochemical cell to the next.
  • the device forming a multi-stage electrochemical compressor is able to pressurize hydrogen flowing through this device. He understands :
  • ⁇ membrane-electrode assemblies where n is an integer equal to or greater than 2; each MEA forming an electrochemical cell; said MEAs being arranged to be traversed by a stream of hydrogen, and being electrically connected in series with each other; each of the MEAs comprising an active surface capable of providing oxy-reduction reactions of hydrogen; MEAs having active surfaces that are distinct from one another and decreasing in the direction of circulation of hydrogen.
  • the MEAs are connected in series from the fluidic and electrical point of view.
  • the successive gas compartments are perfectly gastight to each other and to the outside.
  • the tightness between the compartments is ensured by the proton exchange membrane of each MEA, associated with one or more seals arranged at its periphery.
  • the seal to the outside is ensured by the very design of the compartment.
  • the MEAs are not arranged concentrically. They preferably have a flat surface. This flat configuration makes it possible to stack the MEAs according to the "filter-press" principle, which greatly facilitates the design of the system and the sealing system between each successive cell and to the outside.
  • each of the MEAs is advantageously intended to be connected to an external source of single electrical current.
  • the device according to the invention comprises n membrane / electrode assemblies (n ⁇ 2) which are necessarily electronically connected in series with each other. It is the use of a single source of electric power that imposes the electronic connection of the adjacent MEAs.
  • the cathode (site of the evolution of hydrogen 2H + + 2 e-> H 2 ) and the anode (place of reduction of the hydrogen H 2 -> 2H + + 2 e-) of two successive AME are advantageously connected electrically between them by an electronic conductor to circulate the desired electronic current between these electrodes, with the lowest possible electrical resistance.
  • the electrodes are brought into contact with a current-collecting material which does not impede the evolution of gas at the cathode and the access of the gases to the anode (metallic porous metal grid consisting of sintered particles, diffusion layer of carbon, etc.) and who can drive the electrons together.
  • a current-collecting material which does not impede the evolution of gas at the cathode and the access of the gases to the anode (metallic porous metal grid consisting of sintered particles, diffusion layer of carbon, etc.) and who can drive the electrons together.
  • each MEA may be connected to a separate source of electrical power. This embodiment corresponds to the case where the MEAs are electrically isolated from each other. It then requires control of the voltages and currents applied to each MEA independently of each other in order to optimize hydrogen transport and pressurization.
  • the device comprises a single source of electric current, it is not necessary to control the voltage or the current of each AME.
  • the device, and more precisely the electrodes of each AME automatically adapts the intensity of the current to the applied voltage and it is the same current that crosses the entirety of the AMEs put in series. This is all the more advantageous in the event of failure of one of the electrochemical cells.
  • the current can no longer cross the system, there is no risk of accidental and excessive accumulation of gas in one of the compartments.
  • the potential difference measured across the AMEs will increase in the opposite direction (1 / S).
  • the voltage to be applied to the system will be the sum of the voltages of each cell.
  • the cathode of the electrode n-1 and the anode of the electrode n are subjected to the same potential.
  • the active surface of the electrochemical cells of the device decreases in the direction of circulation of the hydrogen.
  • the AME of the n th electrochemical cell has an active surface area greater than that of the A ⁇ of the n + 1 electrochemical cell positioned downstream of the n th electrochemical cell.
  • an MEA comprises a proton conductive membrane made of a material, advantageously requiring the presence of water for the transport of protons.
  • the membrane consists of a type ionomer PFSA (perfluorosulfonic acid), such as Nafion ® or Aquivion ®.
  • PFSA perfluorosulfonic acid
  • other materials can be used for the manufacture of a proton exchange membrane.
  • it can also be:
  • sPEEKs sulfonated polyetherketones
  • the transport of water molecules (electroosmosis coefficient) within the materials differs according to the nature of the materials used. It is generally determined experimentally and makes it possible to establish empirical laws of evolution as a function of the experimental parameters, in particular the temperature and the pressure.
  • the membrane separates the two electrodes, the anode and the cathode respectively.
  • the membrane is in direct contact with the electrodes.
  • the membrane serves as a support for the electrodes and therefore has an area greater than or equal to that of the electrodes.
  • the electrodes comprise a catalyst of the electrochemical reactions described above, preferably platinum or a platinum alloy, supported by carbon.
  • the electrodes may also contain an ionomer, advantageously of the same nature as that constituting the membrane.
  • the surface area of the electrochemical cells is defined as the area useful for the electrochemical reactions (active surface of the ⁇ ). Even more advantageously, it is the common surface of the two electrodes and the membrane. Said surface allows in particular the passage of the current and the gas flow. In other words, this area corresponds to that of the surface electrically connected and in contact with the gas flow (in particular hydrogen) at each electrochemical cell.
  • the electrodes and the membrane have the same dimensions and therefore a surface of the same area, advantageously superimposed.
  • the two anode and cathode electrodes have the same dimensions and therefore a surface of the same area, possibly less than that of the membrane.
  • the first MEA has a surface area greater than that of the second MEA. More generally and considering a succession of AMEs arranged in series, the nth (n) AME has a surface area greater than that of the next AME (n + 1).
  • the device object of the present invention makes it possible to avoid the accumulation of liquid water between each of the AMEs, the hydrogen circulating within the device can be humidified during its compression (pressurization), in particular in each of the compartments separating two adjacent MEAs.
  • the humidification rate of the hydrogen is advantageously maintained or regulated to be between 50 and 100% relative humidity in each of these compartments.
  • the spacing between adjacent electrochemical cells is constant according to the flow of hydrogen through the device. Due to the decrease in the area of the surface between two successive electrochemical cells, the volume of the compartment delimited by these two successive electrochemical cells is advantageously decreasing according to the flow of hydrogen through the device.
  • the spacing between adjacent electrochemical cells of the device forming a multistage electrochemical compressor varies according to the flow of hydrogen through the compressor.
  • the spacing between adjacent electrochemical cells of the device forming a multi-stage electrochemical compressor decreases according to the flow of hydrogen through the compressor. A decrease in the spacing between adjacent electrochemical cells makes it possible to benefit more from the gain in hydrogen pressure related solely to the geometry of the device.
  • the area of the surface (S n ) of an n th electrochemical cell (n being an integer) in the compressor comprising a plurality of cells is determined by the following relation:
  • (Si) and (S 2 ) represent the area of the surface of the first and second electrochemical cells respectively, and (j 1 ), (j 2 ) and (j n ) represent the respective current density respectively the first, the second and the n th electrochemical cell.
  • the active surface of each electrochemical cell (S) is flat.
  • said current density (j n ) is defined by the following relation:
  • n g represents the ratio between the number of moles of water surrounding the protons and the number of moles of protons passing through the electrochemical cell and depends on the nature of the membrane used in the electrochemical cell;
  • (T) represents the operating temperature of the device and is advantageously constant
  • ⁇ represents the hydrogen partial pressure at the outlet of the n th cell
  • the current density can be expressed as a function of the pressure of hydrogen, .
  • a and b being independently of one another between 0.01 and 0.1.
  • the areas of the surfaces of the electrochemical cells are chosen so as to guarantee a constant value of the magnitude n g along the device, and in this case along the compression stages.
  • n g corresponds to the ratio between the number of moles m of water constituting the procession surrounding the protons on the one hand, and the number of moles n of protons crossing the membrane of an electrochemical cell on the other hand during oxidation-reduction reactions of hydrogen.
  • the surface areas of the electrochemical cells are chosen so that the variations in current density compensate for the pressure variations along the compressor.
  • the invention is directed to a method of electrochemically compressing hydrogen or a gas mixture containing hydrogen based on the use of a device comprising a plurality of membrane-electrode assemblies (MEAs). connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell, in particular a device as described above.
  • MEAs membrane-electrode assemblies
  • the current density is defined by the formula mentioned above.
  • the ratio n g is advantageously constant throughout the device.
  • the temperature is advantageously kept constant. Even more advantageously, it corresponds to the optimum temperature of the membrane used in the electrochemical cells.
  • the present invention also relates to the use of the device for purifying hydrogen and / or compressing hydrogen.
  • the invention and the advantages thereof will appear more clearly from the following figures and examples given to illustrate the invention and not in a limiting manner.
  • Figure 1 shows the principle of purification and compression of hydrogen through an electrochemical cell.
  • FIG. 2 represents a hydrogen compressor through a stack of electrochemical cells having surfaces of identical area
  • FIG. 3 represents a device according to the invention, that is to say a staged stack of electrochemical cells having areas of decreasing area in the direction of the flow of hydrogen and water, each of the AME being connected to a separate source of electrical power.
  • FIG. 4 represents a device according to the invention, that is to say a staged stack of electrochemical cells having areas of decreasing area in the direction of the flow of hydrogen and water, and comprising an external source; single electric current.
  • FIG. 1 describes the operating principle of an electrochemical hydrogen compressor.
  • the electrochemical cell consists of a membrane / electrode assembly, in which the and the are respectively the anode and cathode compartments; 2a and 2c are diffusion layers, generally made of porous carbonaceous material; 3a and 3c are respectively the anode and cathode electrodes; and, 4 is the resistance proton exchange membrane (Rm).
  • Rm resistance proton exchange membrane
  • Each of the electrodes is generally associated with a current collector which is not shown so as not to impair the clarity of the figures.
  • a constant current (I) corresponds to a constant flux of the number of moles of protons H + , imposed by an electrical surge
  • FIG. 2 illustrates a compressor comprising k electrochemical cells (AMEs) of surfaces of the same area.
  • AMEs electrochemical cells
  • the membrane / electrode assemblies have surfaces of the same area (S) whereas n g is only a function of the hydrogen pressure. It follows therefore that this function decreases with increasing pressure, therefore the parameter (m) corresponding to the number of moles of water passing through the protonic conductive membrane decreases along the stages.
  • n g will depend on two parameters namely the pressure and the current density.
  • the effect of the pressure on the quantity n g will be counterbalanced by that of the current density so as to maintain the magnitude n g constant along the compressor, which will prevent any accumulation of water between two consecutive stages.
  • the invention proposes a reduction of the surface area of the electrochemical cells along the compressor which allows this constant current increase (FIGS. 3 and 4).
  • the reduction ratio between the surfaces of two consecutive electrochemical cells depends on the desired optimal operating conditions.
  • the spacing between electrochemical cells can be constant or decrease in the direction of circulation of hydrogen.
  • the electrodes and the membrane of each MEA advantageously have a surface of the same area.
  • FIG. 4 illustrates another embodiment in which the device according to the invention comprises a plurality of membrane assemblies. electrodes electronically connected in series to each other by means of the electronic conductor (5). This device relates to the case where each of the MEAs is connected to an external source of single electric current.
  • the electronic conductor (5) provides the connection between two consecutive MEAs. It is made of an electronically conductive material and may especially be in the form of a grid, superimposed grids, foam, carbon fabric, porous (material comprising voids, pores) based on sintered conductive particles ...
  • the material electronically conductor (5) may be of a material that will not degrade under the selected operating conditions.
  • the electronically conductive material (5) is advantageously chosen from the group consisting essentially of titanium, carbon, but also certain metals or alloys (in particular steel) advantageously coated with a deposit less sensitive to corrosion (for example a coating of gold or based on chromium).
  • it is not Ni, A1, Cu, or Zn.
  • the electronic conductor (5) electronically connects a first electrode of a first MEA and a second electrode of a second MEA adjacent, these electrodes being of opposite signs. In view of their electronic connection, said first and second electrodes are at the same potential. In other words, an electrode of an AME is at the same potential as the electrode opposite the adjacent ⁇ .
  • the electronic conductor (5) is made of a porous material. It can thus define the volume of the compartment separating two successive MEAs, especially when it is in the form of a foam, stack of grids or porous sintered particles of electronically conductive material.
  • the present invention provides a means for calculating the surfaces of the electrochemical cells (S) constituting the multi-stage compressor.
  • the expression of the quantity n g as a function of the parameters temperature (T), current density (j) and hydrogen pressure is given by the following relation:
  • the objective is to maintain a constant flow of water along the electrochemical compressor at constant temperature and current, which makes it possible to obtain a dependence exclusively between the hydrogen pressure and the current density.
  • the relationship can be rewritten as follows:
  • n g is known or can be determined experimentally. It is therefore possible for each value n g given to establish the relation between the current density and the hydrogen pressure, namely the following relation:
  • the spacing between the membrane electrode assemblies in the compressor makes it possible to adjust the hydrogen pressure between two adjacent electrochemical cells.
  • the volume of the compartment delimited by two successive electrochemical cells decreases along the flow of hydrogen in the compressor. This gives a further increase in pressure without providing additional electrical energy.
  • Electric surge necessary to prime electrochemical reactions is then written as a function of hydrogen pressures on stage I and at the stage I + 1 and the volumes V I and V I + 1 of the compartments delimited respectively by the cells I and 1 + 1 on the one hand and the cells I + 1 and I + 2 on the other hand, under the form:
  • the second term represents a gain in electrical energy due to the decrease in the volume of the compartments delimited by the electrochemical cells I and 1 + 1 on the one hand and the cells I + 1 and I + 2 on the other hand .
  • the electrochemical cells that make up the electrochemical compressor are subjected to the same mechanical stresses. Consequently, the same difference in hydrogen pressure is imposed on the different electrochemical cells. This pressure difference is chosen as a function of the thickness and the mechanical properties of the proton exchange membrane.
  • the proton exchange membrane is composed of Nafion ®.
  • the operating temperature of the compressor is chosen according to the optimum temperature of this material, equal to 80 ° C.
  • the compressor runs at a constant temperature.
  • the invention makes it possible to calculate the surfaces (S) of each electrochemical cell for a four-stage compressor composed of five electrochemical cells, the surface of the first cell being imposed.
  • the surface of the two electrodes is equal to the surface of the membrane.
  • this surface corresponds to the useful surface, that is to say to the surface on which the electrochemical reactions can take place (in contact with the gas flow, in particular hydrogen and the current).
  • a constant current is imposed, in this case equal to 100A.
  • the surface of the first membrane / electrode assembly (AME) S 0 is set at 100 cm 2 . Given the constant current (I) of 200 A imposed, this corresponds to a current density (j 0 ) equal to 2 A / cm 2 .
  • the first membrane / electrode assembly (AME) So is subjected to a zero pressure difference and the hydrogen inlet pressure in the electrochemical compressor is the atmospheric pressure (1 bar).
  • Each membrane / electrode assembly (AME) is subjected to a pressure difference of the order of 5 bars.

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Abstract

This device forms an electrochemical compressor having a plurality of stages, capable of pressurising hydrogen flowing through said device. It comprises: a hydrogen inlet and outlet; at least two membrane-electrode assemblies (AME), each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell; said AMEs being arranged so as to be traversed by a hydrogen stream, and being electrically connected to each other in series; each of the AMEs comprising an active surface designed to allow hydrogen redox reactions to take place; The AMEs have active surfaces separate from each other, and decreasing in the direction of flow of the hydrogen.

Description

DISPOSITIF DE PURIFICATION ET DE COMPRESSION ELECTROCHIMIQUE DE L'HYDROGENE A PLUSIEURS ETAGES  DEVICE FOR PURIFYING AND ELECTROCHEMICALLY COMPRESSING MULTI-STAGE HYDROGEN
DOMAINE DE L'INVENTION FIELD OF THE INVENTION
La présente invention se rapporte à un dispositif de purification et compression électrochimique d'hydrogène à plusieurs étages de compression. The present invention relates to a device for the purification and electrochemical compression of hydrogen with several stages of compression.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif dans lequel les cellules électrochimiques constitutives ont une surface d'aire de plus en plus petite, dans le sens du flux d'hydrogène. More precisely, the subject of the invention is a device in which the constituent electrochemical cells have a smaller and smaller surface area in the direction of the hydrogen flow.
ETAT DE LA TECHNIQUE L'hydrogène offre un intérêt considérable pour le stockage d'énergie lorsqu'il est produit « ultra-pur », car il peut être ensuite transformé en chaleur, en électricité ou en produits à forte valeur ajoutée. Le stockage de ce gaz très léger reste cependant très difficile et sa compression sous différentes formes (gazeux, liquide et hydrures métalliques) à des pressions élevées reste une étape très énergivore (7 à 13 kWh/kg H2). STATE OF THE ART Hydrogen offers considerable interest for energy storage when it is produced "ultra-pure" because it can then be converted into heat, electricity or high value-added products. The storage of this very light gas remains very difficult and its compression in different forms (gaseous, liquid and metal hydrides) at high pressures remains a very energy-intensive step (7 to 13 kWh / kg H 2 ).
Les compresseurs électrochimiques pour l'hydrogène sont des dispositifs basés sur les propriétés conductrices de protons de certains matériaux. Ils permettent de pressuriser de l'hydrogène (potentiellement de quelques centaines de bars) par un processus simple en une étape, à l'aide d'une alimentation électrique de faible puissance. Electrochemical compressors for hydrogen are devices based on the proton conductive properties of certain materials. They allow to pressurize hydrogen (potentially a few hundred bars) by a simple process in one step, using a low power supply.
Ce type de dispositif est basé sur la technologie PEM (« Proton Exchange Membrane ») ou « membrane échangeuse de protons », c'est-à-dire une cellule électrochimique comprenant un assemblage membrane/électrodes (AME). Un AME comprend une membrane constituée d'un polymère conducteur protonique, par exemple un ionomère de type PFSA (Acide PerFluoroSulfonique) tel que le Nafïon®, séparant deux électrodes anodique et cathodique, respectivement. Les électrodes comprennent généralement du platine ou un alliage de platine supporté par du carbone. Lorsqu'une surtension électrique suffisante est appliquée aux bornes de la cellule alimentée en hydrogène ou à l'aide d'un mélange de gaz contenant de l'hydrogène à une pression donnée, l'anode est le siège d'une ou plusieurs réactions chimiques. Ainsi, lorsque la cellule électrochimique est alimentée uniquement par de l'hydrogène, l'anode est le centre d'une réaction d'oxydation de l'hydrogène, selon la demi-équation suivante : (1) This type of device is based on the PEM ("Proton Exchange Membrane") technology or "proton exchange membrane", that is to say an electrochemical cell comprising a membrane / electrode assembly (AME). An MEA comprises a membrane consisting of a polymer proton conductor, for example a type ionomer PFSA (perfluorosulfonic acid) such as Nafion ®, separating two anode and cathode electrodes, respectively. The electrodes generally comprise platinum or a platinum alloy supported by carbon. When a sufficient electrical surge is applied across the cell supplied with hydrogen or with a mixture of gases containing hydrogen at a given pressure, the anode is the seat of one or more chemical reactions . Thus, when the electrochemical cell is fed solely with hydrogen, the anode is the center of an oxidation reaction of hydrogen, according to the following half-equation: (1)
Lorsque la cellule électrochimique est alimentée par un mélange de gaz, issu par exemple du vaporeformage du gaz naturel ou du bioéthanol et fonctionne dans une gamme de températures comprises entre 20 et 80°C, une deuxième réaction d'oxydation est possible. Cette réaction, correspondant à l'oxydation du monoxyde de carbone, a lieu à l'anode et est également une source de protons :When the electrochemical cell is fed with a gas mixture, for example from the steam reforming of natural gas or bioethanol and operates in a temperature range between 20 and 80 ° C, a second oxidation reaction is possible. This reaction, corresponding to the oxidation of carbon monoxide, takes place at the anode and is also a source of protons:
(2) (2)
Les protons solvatés, c'est-à-dire les protons entourés de molécules d'eau, migrent à travers la membrane ionomérique sous l'effet du champ électrique et sont réduits à la cathode sous forme d'hydrogène selon la demi-équation suivante : (3) The solvated protons, that is to say the protons surrounded by water molecules, migrate through the ionomeric membrane under the effect of the electric field and are reduced to the cathode in the form of hydrogen according to the following half-equation : (3)
Le flux de moles de protons qui traverse la cellule électrochimique est relié au courant / par la relation suivante : (4)The flow of moles of protons passing through the electrochemical cell is connected to the current / by the following relation: (4)
(F) représentant la constante de Faraday. (F) representing the Faraday constant.
La tension électrique utile pour extraire de l'hydrogène du mélange gazeux et le récupérer à la cathode à la même pression qu'à l'anode correspond à la tension nécessaire pour la purification de l'hydrogène. Cette tension dépend principalement de la résistance de la membrane, des propriétés électro-catalytiques des électrodes (résistance de transfert de charge) et des conditions opératoires. Ainsi, la tension électrique de la cellule électrochimique pour la purification d'hydrogène sans compression Ep (V) est donnée par la relation suivante : (5) dans laquelle : The electrical voltage useful for extracting hydrogen from the gaseous mixture and recovering it at the cathode at the same pressure as at the anode corresponds to the voltage required for the purification of hydrogen. This voltage depends mainly on the resistance of the membrane, the electrocatalytic properties of the electrodes (charge transfer resistance) and the operating conditions. Thus, the electric voltage of the electrochemical cell for the purification of uncompressed hydrogen E p (V) is given by the following relation: (5) wherein
• (ηα) et (ηc) représentent les surtensions anodique et cathodique associées respectivement aux transferts de charge à l'anode et à la cathode ; • (η α ) and (η c ) represent the anodic and cathodic overvoltages associated respectively with charge transfers at the anode and at the cathode;
• (Rm) est la résistance de la membrane ; et • (R m ) is the resistance of the membrane; and
• I correspond au courant qui traverse la cellule électrochimique.  • I corresponds to the current flowing through the electrochemical cell.
La grandeur quantitative de la tension électrique supplémentaire Ec (V), appliquée à la cellule pour transférer l'hydrogène de faible pression à l'anode vers la cathode à haute pression, est une dérivée de l'équation de Nernst et est donnée par la relation suivante : The quantitative magnitude of the additional electrical voltage E c (V), applied to the cell to transfer hydrogen from low pressure to the anode to the high pressure cathode, is a derivative of the Nernst equation and is given by the following relation:
(6) (6)
dans laquelle : in which :
• correspondent aux pressions partielles en hydrogène • correspond to partial pressures in hydrogen
respectivement à l'anode et à la cathode ;  respectively at the anode and at the cathode;
• (T) représente la température de fonctionnement ;  • (T) represents the operating temperature;
• (R) représente la constante des gaz parfait ; et  • (R) represents the perfect gas constant; and
• (F) représente la constante de Faraday.  • (F) represents the Faraday constant.
Une cellule électrochimique utilisée dans cette configuration est donc une pompe à protons qui permet de créer un flux d'hydrogène entre les compartiments anodique et cathodique et qui favorise son stockage sous pression. An electrochemical cell used in this configuration is a proton pump that creates a flow of hydrogen between the anode and cathode compartments and promotes its storage under pressure.
Pour atteindre des pressions élevées de l'ordre de 700 bars, plusieurs solutions ont été proposées dans l'art antérieur, basées sur des systèmes à plusieurs étages de compression. Ces systèmes peuvent être très compacts et sans pièce mobile, permettant ainsi d'atteindre des pressions élevées avec une consommation énergétique proche de la compression isotherme. Le principe de compression électrochimique à plusieurs étages est décrit notamment dans le document US 2004/211679. To reach high pressures of the order of 700 bar, several solutions have been proposed in the prior art, based on multi-stage compression systems. These systems can be very compact and without moving parts, thus achieving high pressures with energy consumption close to isothermal compression. The principle of electrochemical compression with several stages is described in particular in document US 2004/211679.
De manière générale, les compresseurs électrochimiques fonctionnent en conditions stationnaires, à une température constante (correspondant avantageusement à la température optimale de la membrane constitutive des cellules électrochimiques) et à courant constant imposé. In general, the electrochemical compressors operate in stationary conditions, at a constant temperature (advantageously corresponding to the optimum temperature of the membrane constituting the electrochemical cells) and at constant constant current.
En pratique, les compresseurs électrochimiques à plusieurs étages de compression sont réalisés par une succession de cellules électrochimiques, ou assemblages membrane- électrodes (AME), de surfaces équivalentes, et fonctionnant donc à densité de courant constante. In practice, the electrochemical compressors with several compression stages are produced by a succession of electrochemical cells, or membrane-electrode assemblies (AME), of equivalent surfaces, and therefore operating at a constant current density.
Par conséquent, la pression à différents étages de compression reste le seul degré de liberté capable d'influencer le fonctionnement du compresseur. Therefore, the pressure at different stages of compression remains the only degree of freedom capable of influencing the operation of the compressor.
Or, les données expérimentales issues de la littérature (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-86) montrent que la grandeur ng, correspondant au ratio entre le nombre de moles d'eau constituant le cortège entourant les protons et le nombre de moles de protons traversant la membrane, dépend des conditions opératoires de fonctionnement, c'est-à-dire de la température (T), de la densité de courant (j) et de la pression partielle d'hydrogène (PH2). However, the experimental data from the literature (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-86) show that the quantity n g , corresponding to the ratio between the number of moles of water constituting the procession surrounding the protons and the number of moles of protons crossing the membrane, depends on the operating conditions of operation, that is to say the temperature (T), the current density (j) and the partial pressure of hydrogen (P H2 ).
La grandeur ng est illustrée par la relation suivante : The size n g is illustrated by the following relation:
(8) (8)
L'expression de la grandeur ng en fonction des paramètres température (T), densité de courant (j) et pression d'hydrogène est donnée par la relation suivante : The expression of the quantity n g as a function of the parameters temperature (T), current density (j) and hydrogen pressure is given by the following relation:
(7) Dans les conditions de fonctionnement décrites ci-dessus, c'est-à-dire à température constante et à courant constant, en présence de cellules électrochimiques de même surface et donc à densité de courant constante, toute évolution de la grandeur ng est dépendante uniquement de celle de la pression dans le dispositif de compression. (7) Under the operating conditions described above, that is to say at constant temperature and constant current, in the presence of electrochemical cells of the same surface and therefore constant current density, any evolution of the size n g is dependent only that of the pressure in the compression device.
Les modèles sur l'évolution de la grandeur ng montrent qu'elle décroit linéairement lorsque la pression augmente. The models on the evolution of the quantity n g show that it decreases linearly when the pressure increases.
Or, le long d'un compresseur électrochimique à plusieurs étages, la pression d'hydrogène augmente et impose un besoin de moins en moins important d'eau pour l'humidification de l'hydrogène, nécessaire au transport des protons au sein de la membrane conductrice protonique, par exemple en Nafion®. However, along a multi-stage electrochemical compressor, the hydrogen pressure increases and imposes a decreasing need for water for humidification of hydrogen, necessary for the transport of protons within the membrane. protonic conductor, for example in Nafion ® .
Par conséquent, l'excédent d'eau entre 2 étages consécutifs, dû à la différence de pression d'hydrogène, s'accumule avec un flux constant et constitue une barrière à l'accessibilité de l'hydrogène aux sites réactifs (situés à l'interface électrodes/membrane) et est responsable du noyage des compartiments anodiques des cellules électrochimiques. Ainsi, l'utilisation de ces différents dispositifs de compression électrochimique en configuration de cellules disposées en série se heurte à des problèmes de gestion de l'eau lors de leur fonctionnement. Consequently, the excess water between two consecutive stages, due to the difference in hydrogen pressure, accumulates with a constant flow and constitutes a barrier to the accessibility of hydrogen to the reactive sites (located at electrode / membrane interface) and is responsible for flooding the anode compartments of the electrochemical cells. Thus, the use of these various electrochemical compression devices in the configuration of cells arranged in series faces water management problems during their operation.
Comme déjà dit, l'accumulation d'eau sous forme liquide entre les différents étages de compression conduit au noyage du compartiment anodique et conditionne le fonctionnement des compresseurs d'hydrogène. Ainsi, cette accumulation d'eau constitue une barrière à l'hydrogène pour accéder à l'interface électrodes/membrane, ce qui impose une purge régulière des compartiments dans lesquels l'eau s'accumule. As already said, the accumulation of water in liquid form between the different stages of compression leads to the flooding of the anode compartment and conditions the operation of the hydrogen compressors. Thus, this accumulation of water is a barrier to hydrogen to access the electrode / membrane interface, which requires regular purging of the compartments in which the water accumulates.
Il existe donc un besoin évident de mettre au point un dispositif de compression électrochimique de l'hydrogène permettant d'éviter l'accumulation de l'eau. EXPOSE DE L'INVENTION There is therefore a clear need to develop a device for electrochemical compression of hydrogen to prevent the accumulation of water. SUMMARY OF THE INVENTION
L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages, apte à pressuriser de l'hydrogène s'écoulant à travers ce dispositif. Ce compresseur comprend une pluralité d'assemblages membrane- électrodes (AME) reliés en série les uns aux autres, chaque assemblage membrane- électrodes formant une cellule électrochimique. Le compresseur est structuré de telle manière que l'aire de la surface des cellules électrochimiques soit décroissante suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur. The object of the present invention is to provide a device forming a multi-stage electrochemical compressor, able to pressurize hydrogen flowing through this device. This compressor comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (AME) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell. The compressor is structured in such a way that the surface area of the electrochemical cells decreases according to the flow of hydrogen through the compressor.
En adaptant ainsi la géométrie des surfaces des cellules électrochimiques d'un compresseur, il est possible de résoudre le problème d'accumulation d'eau aux anodes des cellules électrochimiques dudit compresseur. Il a été en effet constaté que, à mesure que la pression d'hydrogène augmente dans un compresseur, la quantité d'eau nécessaire pour assurer les réactions électrochimiques diminue. Or, une accumulation d'eau nuit au passage de l'hydrogène à travers les membranes des cellules électrochimiques en bloquant l'accès aux électrodes et en exerçant une pression sur les membranes. Selon l'invention, la diminution de l'aire des surfaces des cellules électrochimiques a pour conséquence une répartition sur une surface plus petite du courant constant appliqué aux cellules. Ceci résulte en une augmentation de la densité de courant appliquée aux électrodes des cellules électrochimiques suivant le flux d'hydrogène dans le compresseur. En augmentant la densité de courant appliquée, il devient possible de compenser l'effet d'une augmentation de la pression d'hydrogène sur le rapport ng défini ci-avant. By thus adapting the geometry of the electrochemical cell surfaces of a compressor, it is possible to solve the problem of water accumulation at the anodes of the electrochemical cells of said compressor. It has indeed been found that, as the hydrogen pressure increases in a compressor, the amount of water needed to ensure the electrochemical reactions decreases. However, an accumulation of water impairs the passage of hydrogen through the membranes of electrochemical cells by blocking access to the electrodes and exerting pressure on the membranes. According to the invention, the reduction of the surface area of the electrochemical cells results in a distribution on a smaller surface of the constant current applied to the cells. This results in an increase in the current density applied to the electrodes of the electrochemical cells according to the flow of hydrogen in the compressor. By increasing the applied current density, it becomes possible to compensate for the effect of an increase of the hydrogen pressure on the ratio n g defined above.
Un dispositif selon l'invention est apte à purifier et/ou à pressuriser de l'hydrogène. Il peut donc être utilisé en relation avec de l'hydrogène pur ou avec un mélange gazeux contenant de l'hydrogène, notamment issu du vaporeformage. Comme déjà dit, ce dispositif comprend une pluralité d'assemblages membrane- électrodes (AME) reliés en série les uns aux autres, chaque assemblage membrane- électrodes formant une cellule électrochimique. De manière connue, un tel dispositif est appelé compresseur à plusieurs étages. En d'autres termes, il comprend au moins deux AME, la cathode du premier AME étant disposée en série avec l'anode du second AME. Le premier AME est celui disposé au niveau de l'entrée du flux gazeux qui arrive donc à l'anode du premier AME, tandis que le second AME est celui disposé au niveau de la sortie de l'hydrogène pressurisé, recueilli au niveau de la cathode du second AME. Dans le cadre de l'invention, le fait que les AME soient reliés en série permet donc d'assurer le long du compresseur, d'une cellule électrochimique à la suivante, le passage du flux gazeux et du flux de courant. A device according to the invention is capable of purifying and / or pressurizing hydrogen. It can therefore be used in connection with pure hydrogen or with a gaseous mixture containing hydrogen, especially from steam reforming. As already stated, this device comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (AME) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell. In known manner, such a device is called multistage compressor. In other words, it comprises at least two AMEs, the cathode of the first MEA being arranged in series with the anode of the second MEA. The first MEA is the one arranged at the inlet of the gas stream which therefore arrives at the anode of the first MEA, while the second MEA is the one disposed at the outlet of the pressurized hydrogen, collected at the level of the cathode of the second MEA. In the context of the invention, the fact that the MEAs are connected in series thus makes it possible to ensure the passage of the gas flow and the flow of current along the compressor, from one electrochemical cell to the next.
En d'autres termes, le dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages, est apte à pressuriser de l'hydrogène s'écoulant à travers ce dispositif. Il comprend : In other words, the device forming a multi-stage electrochemical compressor is able to pressurize hydrogen flowing through this device. He understands :
■ une entrée et une sortie d'hydrogène ;  ■ a hydrogen inlet and outlet;
■ n assemblages membrane-électrodes (AME), avec n étant un nombre entier égal ou supérieur à 2 ; chaque AME formant une cellule électrochimique ; lesdits AME étant agencés de sorte à être traversés par un flux d'hydrogène, et étant électriquement connectés en série les uns aux autres ; chacun des AME comprenant une surface active apte à assurer les réactions d'oxy do -réduction de l'hydrogène ; les AME présentant des surfaces actives distinctes les unes des autres, et décroissant selon la direction de circulation de l'hydrogène.  ■ membrane-electrode assemblies (AME), where n is an integer equal to or greater than 2; each MEA forming an electrochemical cell; said MEAs being arranged to be traversed by a stream of hydrogen, and being electrically connected in series with each other; each of the MEAs comprising an active surface capable of providing oxy-reduction reactions of hydrogen; MEAs having active surfaces that are distinct from one another and decreasing in the direction of circulation of hydrogen.
Dans ce dispositif, les AME sont connectés en série du point de vue fluidique et électrique. En outre, les compartiments gazeux successifs sont parfaitement étanches aux gaz entre eux et vers l'extérieur. L'étanchéité entre les compartiments est assurée par la membrane échangeuse de protons de chaque AME, associée à un ou des joints disposés en sa périphérie. L'étanchéité vers l'extérieur est assurée par la conception même du compartiment. Les connaissances de l'homme du métier lui permettront de mettre en œuvre la configuration et les matériaux assurant l'étanchéité du dispositif. De manière avantageuse, les AME ne sont pas disposés de manière concentrique. Ils présentent préférentiellement une surface plane. Cette configuration plane permet d'empiler les AME selon le principe du « filtre-presse », ce qui facilite grandement la conception du système et du système d'étanchéité entre chaque cellule successive et vers l'extérieur. In this device, the MEAs are connected in series from the fluidic and electrical point of view. In addition, the successive gas compartments are perfectly gastight to each other and to the outside. The tightness between the compartments is ensured by the proton exchange membrane of each MEA, associated with one or more seals arranged at its periphery. The seal to the outside is ensured by the very design of the compartment. The knowledge of the skilled person will enable him to implement the configuration and the materials ensuring the tightness of the device. Advantageously, the MEAs are not arranged concentrically. They preferably have a flat surface. This flat configuration makes it possible to stack the MEAs according to the "filter-press" principle, which greatly facilitates the design of the system and the sealing system between each successive cell and to the outside.
Dans ce dispositif, chacun des AME est avantageusement destiné à être relié à une source externe de courant électrique unique. Dans ce cas, le dispositif selon l'invention comprend n assemblages membrane/électrodes (n ≥ 2) qui sont nécessairement électroniquement connectés en série les uns aux autres. C'est l'utilisation d'une source unique de courant électrique qui impose la connexion électronique des AME adjacents. La cathode (lieu du dégagement d'hydrogène 2H+ + 2 e- -> H2) et l'anode (lieu de réduction de l'hydrogène H2 -> 2H+ + 2 e-) de deux AME successifs sont avantageusement connectées électriquement entre elles par un conducteur électronique permettant de faire circuler le courant électronique souhaité entre ces électrodes, avec la résistance électrique la plus faible possible. Les électrodes sont mises en contact avec un matériau collecteur de courant qui n'entrave pas le dégagement gazeux à la cathode ni l'accès des gaz vers l'anode (grille métallique, poreux métallique constitué de particules frittées, couche de diffusion en fibre de carbone, etc ..) et qui peut conduire les électrons entre elles. In this device, each of the MEAs is advantageously intended to be connected to an external source of single electrical current. In this case, the device according to the invention comprises n membrane / electrode assemblies (n ≥ 2) which are necessarily electronically connected in series with each other. It is the use of a single source of electric power that imposes the electronic connection of the adjacent MEAs. The cathode (site of the evolution of hydrogen 2H + + 2 e-> H 2 ) and the anode (place of reduction of the hydrogen H 2 -> 2H + + 2 e-) of two successive AME are advantageously connected electrically between them by an electronic conductor to circulate the desired electronic current between these electrodes, with the lowest possible electrical resistance. The electrodes are brought into contact with a current-collecting material which does not impede the evolution of gas at the cathode and the access of the gases to the anode (metallic porous metal grid consisting of sintered particles, diffusion layer of carbon, etc.) and who can drive the electrons together.
Lors de la mise en œuvre du dispositif, chaque AME peut cependant être connecté à une source distincte de courant électrique. Ce mode de réalisation correspond au cas où les AME sont électriquement isolés les uns des autres. Il nécessite alors le contrôle des tensions et courants appliqués à chaque AME indépendamment les uns des autres afin d'optimiser le transport de l'hydrogène et sa pressurisation. When implementing the device, however, each MEA may be connected to a separate source of electrical power. This embodiment corresponds to the case where the MEAs are electrically isolated from each other. It then requires control of the voltages and currents applied to each MEA independently of each other in order to optimize hydrogen transport and pressurization.
Au contraire, lorsque le dispositif comprend une source unique de courant électrique, il n'est pas nécessaire de contrôler la tension ou le courant de chaque AME. En effet, le dispositif, et plus précisément les électrodes de chaque AME, adapte automatiquement l'intensité du courant à la tension appliquée et c'est le même courant qui traverse l'intégralité des AME mises en série. Ceci est d'autant plus avantageux en cas de défaillance d'une des cellules électrochimiques. Le courant ne pouvant plus traverser le système, il n'y a aucun risque d'accumulation accidentelle et excessive de gaz dans un des compartiments. On the contrary, when the device comprises a single source of electric current, it is not necessary to control the voltage or the current of each AME. Indeed, the device, and more precisely the electrodes of each AME, automatically adapts the intensity of the current to the applied voltage and it is the same current that crosses the entirety of the AMEs put in series. This is all the more advantageous in the event of failure of one of the electrochemical cells. The current can no longer cross the system, there is no risk of accidental and excessive accumulation of gas in one of the compartments.
Lors de l'utilisation du dispositif, que ce soit avec une source unique ou une pluralité de sources de courant électrique, il y a une diminution de potentiel entre la cathode et l'anode, essentiellement liée à la chute ohmique au sein de l'AME (résistance électrique des collecteurs de courant, électrode, membrane). La réaction d'oxydation de l'hydrogène et de son dégagement étant considérée comme parfaitement réversible sur une électrode de platine, cette chute ohmique peut être calculée en utilisant la loi d'Ohm : U = RI avec R, la résistance électrique totale de l'AME et des collecteurs de courant et I, l'intensité du courant traversant l'AME. Cette différence de potentiel entre la cathode et l'anode est généralement comprise entre 0,1 et 0,8 V. Elle dépend de la composition de l'AME et des collecteurs de courant (matériaux utilisés, épaisseur et conductivité de la membrane échangeuse de protons, etc .). Considérons un empilement de cellules de composition identique (la résistance par unité de surface d'électrode est identique pour tous les AME) mais les surfaces des AME sont décroissantes dans le sens d'écoulement de l'hydrogène. Pour que les réactions d'oxydation de l'hydrogène et de dégagement d'hydrogène se produisent respectivement à l'anode et à la cathode de chaque AME, la différence de potentiel à appliquer entre les collecteurs de courant de chaque électrode est calculée à partir de la loi d'Ohm en fonction de la résistance par unité de surface d'électrode de l'AME (noté R et donnée en Ω.cm2), la surface de l'électrode de l'AME « n » : Sn (cm2) et le courant traversant tout le système I (A) : When using the device, whether with a single source or a plurality of electric power sources, there is a potential decrease between the cathode and the anode, essentially related to the ohmic drop within the AME (electrical resistance of the current collectors, electrode, membrane). The oxidation reaction of hydrogen and its release being considered perfectly reversible on a platinum electrode, this ohmic drop can be calculated using Ohm's law: U = RI with R, the total electrical resistance of the AME and current collectors and I, the intensity of the current flowing through the AME. This potential difference between the cathode and the anode is generally between 0.1 and 0.8 V. It depends on the composition of the MEA and the current collectors (materials used, thickness and conductivity of the exchange membrane. protons, etc.). Let us consider a stack of cells of identical composition (the resistance per unit area of electrode is identical for all the MEAs) but the surfaces of the MEAs are decreasing in the direction of flow of the hydrogen. For the oxidation reactions of hydrogen and release of hydrogen occur at the anode and the cathode of each MEA respectively, the potential difference to be applied between the current collectors of each electrode is calculated from Ohm's law as a function of the resistance per unit area of AME electrode (denoted R and given in Ω.cm 2 ), the surface of the AME electrode "n": S n (cm 2 ) and the current flowing through the entire system I (A):
U(n) = (R/Sn).I U (n) = (R / S n ) .I
Si la surface des électrodes des AME décroît dans le sens de l'écoulement de l'hydrogène, la différence de potentiel mesurée aux bornes des AME va croître en sens inverse (1/S). Pour un système de cellules en série avec une seule source d'alimentation électrique, la tension à appliquer au système sera la somme des tensions de chaque cellule. A noter que sur deux AME successifs, la cathode de l'électrode n-1 et l'anode de l'électrode n sont soumis au même potentiel. La surface active des cellules électrochimiques du dispositif décroit dans le sens de circulation de l'hydrogène. En d'autres termes, l'AME de la nième cellule électrochimique présente une surface active supérieure à celle de l'AΜΕ de la n+1 cellule électrochimique positionnée en aval de la nième cellule électrochimique. If the surface of the electrodes of the AMEs decreases in the direction of the flow of hydrogen, the potential difference measured across the AMEs will increase in the opposite direction (1 / S). For a serial cell system with a single power source, the voltage to be applied to the system will be the sum of the voltages of each cell. Note that on two successive AMEs, the cathode of the electrode n-1 and the anode of the electrode n are subjected to the same potential. The active surface of the electrochemical cells of the device decreases in the direction of circulation of the hydrogen. In other words, the AME of the n th electrochemical cell has an active surface area greater than that of the AΜΕ of the n + 1 electrochemical cell positioned downstream of the n th electrochemical cell.
En outre, l'entrée d'hydrogène est de préférence au niveau du compartiment anodique du premier AME, alors que la sortie d'hydrogène est de préférence au niveau du compartiment cathodique du dernier (nième) AME. De manière classique, un AME comprend une membrane conductrice protonique constituée d'un matériau, requérant avantageusement la présence d'eau pour le transport des protons. In addition, the hydrogen inlet is preferably at the anode compartment of the first MEA, while the hydrogen outlet is preferably at the cathode compartment of the last ( nth ) MEA. Conventionally, an MEA comprises a proton conductive membrane made of a material, advantageously requiring the presence of water for the transport of protons.
Selon un mode de réalisation particulier, la membrane est constituée d'un ionomère de type PFSA (Acide PerFluoroSulfonique) tel que le Nafïon® ou l'Aquivion®. Toutefois, d'autres matériaux peuvent être utilisés pour servir à la fabrication d'une membrane échangeuses de protons. Ainsi, il peut également s'agir : According to a particular embodiment, the membrane consists of a type ionomer PFSA (perfluorosulfonic acid), such as Nafion ® or Aquivion ®. However, other materials can be used for the manufacture of a proton exchange membrane. Thus, it can also be:
de polyéthercétones sulfonées (sPEEK), tels que décrits par K.D. Kreuer (Journal of Membrane Science 185 (2001) 29-39) ;  sulfonated polyetherketones (sPEEKs) as described by K.D. Kreuer (Journal of Membrane Science 185 (2001) 29-39);
- de polybenzimidazole (PBI) ou d'acide polystyrène sulfonique (PSSA), tel que décrits par Pivovar et al. (Journal of The Electrochemical Society, 152 (1) A53- A60 (2005)). polybenzimidazole (PBI) or polystyrene sulfonic acid (PSSA), as described by Pivovar et al. (Journal of The Electrochemical Society, 152 (1) A53-A60 (2005)).
Le transport des molécules d'eau (coefficient d' électroosmose) au sein des matériaux diffère selon la nature des matériaux utilisés. Il est généralement déterminé expérimentalement et permet d'établir des lois empiriques d'évolution en fonction des paramètres expérimentaux, notamment la température et la pression. The transport of water molecules (electroosmosis coefficient) within the materials differs according to the nature of the materials used. It is generally determined experimentally and makes it possible to establish empirical laws of evolution as a function of the experimental parameters, in particular the temperature and the pressure.
De manière classique, la membrane sépare les deux électrodes, l'anode et la cathode respectivement. Avantageusement, la membrane est en contact direct avec les électrodes. Selon un mode de réalisation particulier, la membrane sert de support aux électrodes et présente donc une aire supérieure ou égale à celle des électrodes. De manière appropriée, les électrodes comprennent un catalyseur des réactions électrochimiques décrites ci-dessus, avantageusement du platine ou un alliage de platine, supporté par du carbone. Les électrodes peuvent également contenir un ionomère, avantageusement de même nature que celui constitutif de la membrane. Conventionally, the membrane separates the two electrodes, the anode and the cathode respectively. Advantageously, the membrane is in direct contact with the electrodes. According to a particular embodiment, the membrane serves as a support for the electrodes and therefore has an area greater than or equal to that of the electrodes. Suitably, the electrodes comprise a catalyst of the electrochemical reactions described above, preferably platinum or a platinum alloy, supported by carbon. The electrodes may also contain an ionomer, advantageously of the same nature as that constituting the membrane.
Dans le cadre de l'invention et de manière avantageuse, l'aire de la surface des cellules électrochimiques est définie comme l'aire utile aux réactions électrochimiques (surface active de l'ΑΜΕ). Encore plus avantageusement, il s'agit de la surface commune aux deux électrodes et à la membrane. Ladite surface permet notamment le passage du courant et du flux gazeux. En d'autres termes, cette aire correspond à celle de la surface connectée électriquement et en contact avec le flux gazeux (en particulier l'hydrogène) au niveau de chaque cellule électrochimique. In the context of the invention and advantageously, the surface area of the electrochemical cells is defined as the area useful for the electrochemical reactions (active surface of the ΑΜΕ). Even more advantageously, it is the common surface of the two electrodes and the membrane. Said surface allows in particular the passage of the current and the gas flow. In other words, this area corresponds to that of the surface electrically connected and in contact with the gas flow (in particular hydrogen) at each electrochemical cell.
Selon un mode de réalisation particulier, les électrodes et la membrane présentent les mêmes dimensions et donc une surface de même aire, avantageusement superposée. According to a particular embodiment, the electrodes and the membrane have the same dimensions and therefore a surface of the same area, advantageously superimposed.
Selon un autre mode de réalisation, les deux électrodes anode et cathode présentent des mêmes dimensions et donc une surface de même aire, possiblement inférieure à celle de la membrane. According to another embodiment, the two anode and cathode electrodes have the same dimensions and therefore a surface of the same area, possibly less than that of the membrane.
De manière caractéristique selon l'invention, le premier AME présente une aire de surface supérieure à celle du second AME. Plus généralement et en considérant une succession d'AME disposés en série, la nième (n) AME présente une aire de surface supérieure à celle de l'AME suivant (n+1). Typically according to the invention, the first MEA has a surface area greater than that of the second MEA. More generally and considering a succession of AMEs arranged in series, the nth (n) AME has a surface area greater than that of the next AME (n + 1).
Quand bien même, le dispositif objet de la présente invention permet d'éviter l'accumulation d'eau liquide entre chacun des AME, l'hydrogène circulant au sein du dispositif peut être humidifié lors de sa compression (pressurisation), notamment dans chacun des compartiments séparant deux AME adjacents. Le taux d'humidification de l'hydrogène est avantageusement maintenu ou régulé pour être compris entre 50 et 100% d'humidité relative dans chacun de ces compartiments. Selon un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes est constant suivant le flux d'hydrogène à travers le dispositif. En raison de la décroissance de l'aire de la surface entre deux cellules électrochimiques successives, le volume du compartiment délimité par ces deux cellules électrochimiques successives est avantageusement décroissant suivant le flux d'hydrogène à travers le dispositif. Even so, the device object of the present invention makes it possible to avoid the accumulation of liquid water between each of the AMEs, the hydrogen circulating within the device can be humidified during its compression (pressurization), in particular in each of the compartments separating two adjacent MEAs. The humidification rate of the hydrogen is advantageously maintained or regulated to be between 50 and 100% relative humidity in each of these compartments. According to one embodiment of the device according to the invention, the spacing between adjacent electrochemical cells is constant according to the flow of hydrogen through the device. Due to the decrease in the area of the surface between two successive electrochemical cells, the volume of the compartment delimited by these two successive electrochemical cells is advantageously decreasing according to the flow of hydrogen through the device.
En maintenant constant l'espacement entre les cellules électrochimiques du compresseur, tout en réduisant l'aire de la surface des cellules électrochimiques suivant le flux d'hydrogène dans le compresseur, le volume délimité par les parois du compresseur et deux cellules électrochimiques voisines est réduit. Ceci procure un second avantage lié à la géométrie originale de l'invention, qui consiste à augmenter la pression d'hydrogène sans appliquer d'énergie électrique supplémentaire. Ceci contribue à rendre le compresseur électrochimique de l'invention plus économe en énergie. By keeping the spacing between the electrochemical cells of the compressor constant, while reducing the surface area of the electrochemical cells according to the flow of hydrogen in the compressor, the volume delimited by the walls of the compressor and two neighboring electrochemical cells is reduced. . This provides a second advantage related to the original geometry of the invention, which is to increase the hydrogen pressure without applying additional electrical energy. This contributes to making the electrochemical compressor of the invention more energy efficient.
Selon un autre mode de réalisation, l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes du dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages varie suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur. Notamment, l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes du dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages diminue suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur. Une diminution de l'espacement entre cellules électrochimiques voisines permet de profiter davantage du gain en pression d'hydrogène lié uniquement à la géométrie du dispositif. According to another embodiment, the spacing between adjacent electrochemical cells of the device forming a multistage electrochemical compressor varies according to the flow of hydrogen through the compressor. In particular, the spacing between adjacent electrochemical cells of the device forming a multi-stage electrochemical compressor decreases according to the flow of hydrogen through the compressor. A decrease in the spacing between adjacent electrochemical cells makes it possible to benefit more from the gain in hydrogen pressure related solely to the geometry of the device.
Selon un mode de réalisation particulier, l'aire de la surface (Sn) d'une nième cellule électrochimique (n étant un nombre entier) dans le compresseur comprenant une pluralité de cellules est déterminée par la relation suivante : According to a particular embodiment, the area of the surface (S n ) of an n th electrochemical cell (n being an integer) in the compressor comprising a plurality of cells is determined by the following relation:
dans laquelle, (Si) et (S2) représentent l'aire de la surface de la première et la deuxième cellule électrochimique respectivement, et (j1), (j2) et (jn) représentent la densité de courant traversant respectivement la première, la deuxième et la nième cellule électrochimique. in which, (Si) and (S 2 ) represent the area of the surface of the first and second electrochemical cells respectively, and (j 1 ), (j 2 ) and (j n ) represent the respective current density respectively the first, the second and the n th electrochemical cell.
De manière avantageuse, la surface active de chaque cellule électrochimique (S) est plane. Advantageously, the active surface of each electrochemical cell (S) is flat.
De manière avantageuse, la surface active de chaque cellule électrochimique (S) est choisie de manière à ce que la densité de courant appliquée (J=I/S) permet d'éviter l'accumulation d'eau liquide au sein d'un compartiment séparant deux AME adjacents, mais aussi l'assèchement du compartiment précédent à un taux d'humidité relative inférieur à 50%. De manière encore plus avantageuse, ladite densité de courant (jn) est définie par la relation suivante : Advantageously, the active surface of each electrochemical cell (S) is chosen so that the current density applied (J = I / S) makes it possible to prevent the accumulation of liquid water within a compartment. separating two adjacent AMEs, but also the drying of the previous compartment at a relative humidity of less than 50%. Even more advantageously, said current density (j n ) is defined by the following relation:
dans laquelle : in which :
ng représente le ratio entre le nombre de moles d'eau entourant les protons et le nombre de moles des protons traversant la cellule électrochimique et dépend de la nature de la membrane utilisée dans la cellule électrochimique ; n g represents the ratio between the number of moles of water surrounding the protons and the number of moles of protons passing through the electrochemical cell and depends on the nature of the membrane used in the electrochemical cell;
(α), (β), (γ), (δ), (η), (ξ) et (μ) sont des constantes, avantageusement déterminées de manière empirique pour le matériau considéré (membrane utilisée) ;  (α), (β), (γ), (δ), (η), (ξ) and (μ) are constants, advantageously determined empirically for the material in question (membrane used);
(T) représente la température de fonctionnement du dispositif et est avantageusement constante ; (T) represents the operating temperature of the device and is advantageously constant;
χ représente la pression partielle en hydrogène en sortie de la nième cellule χ represents the hydrogen partial pressure at the outlet of the n th cell
électrochimique.  electrochemical.
L'homme du métier saura obtenir les constantes appropriées au matériau mis en œuvre. Pour cela, il saura s'appuyer sur les données de la littérature (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173 - 5186). A titre d'exemple, pour une membrane en polymère perfluoré sulfoné de type Nafïon®, les constantes utilisées peuvent être les suivantes α=2,27 ; β=0,003 ; γ=-0,02 ; δ=-0,70 ; η=0,005 ; ξ=-0,0002 et μ=0,02. De manière générale, la densité de courant peut être exprimée en fonction de la pression de l'hydrogène, . Ainsi, lorsque ng et la température sont constants dans tous les compartiments du dispositif, la relation liant la densité de courant à la pression d'hydrogène peut être la suivante : Those skilled in the art will be able to obtain the appropriate constants for the material used. For that, he will be able to rely on the data of the literature (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-5186). By way of example, for a membrane of sulfonated perfluorinated polymer of Nafion® type, the constants used may be the following: α = 2.27; β = 0.003; γ = -0.02; δ = -0.70; η = 0.005; ξ = -0.0002 and μ = 0.02. In general, the current density can be expressed as a function of the pressure of hydrogen, . Thus, when n g and the temperature are constant in all the compartments of the device, the relationship linking the current density to the hydrogen pressure can be as follows:
; a et b étant indépendamment l'un de l'autre compris entre 0.01 et 0.1. ; a and b being independently of one another between 0.01 and 0.1.
La dépendance du paramètre ng en fonction de la pression et de la densité de courant indique ici que l'augmentation de la densité de courant permet d'augmenter ng tandis que l'augmentation de la pression diminue ng. Ainsi, grâce aux relations décrites ci- avant, il est possible de quantifier les variations de ng et adapter la géométrie du dispositif en conséquence. The dependence of the parameter n g as a function of the pressure and the current density indicates here that the increase in the current density makes it possible to increase n g while the increase in the pressure decreases n g . Thus, thanks to the relationships described above, it is possible to quantify the variations of n g and adapt the geometry of the device accordingly.
Selon un mode particulier de réalisation, notamment à courant appliqué à chaque cellule électrochimique constant et identique pour toutes les cellules électrochimiques notamment lorsque la source de courant électrique est unique, les aires des surfaces des cellules électrochimiques sont choisies de manière à garantir une valeur constante de la grandeur ng le long du dispositif, et en l'occurrence le long des étages de compression. Pour rappel, ng correspondant au rapport entre le nombre de moles m d'eau constituant le cortège entourant les protons d'une part, et le nombre de moles n de protons traversant la membrane d'une cellule électrochimique d'autre part lors des réactions d'oxydo-réduction de l'hydrogène. Pour ce faire, les aires des surfaces des cellules électrochimiques sont choisies pour que les variations de densité de courant compensent les variations de pression le long du compresseur. According to a particular embodiment, in particular with current applied to each constant and identical electrochemical cell for all the electrochemical cells, especially when the electric current source is unique, the areas of the surfaces of the electrochemical cells are chosen so as to guarantee a constant value of the magnitude n g along the device, and in this case along the compression stages. As a reminder, n g corresponds to the ratio between the number of moles m of water constituting the procession surrounding the protons on the one hand, and the number of moles n of protons crossing the membrane of an electrochemical cell on the other hand during oxidation-reduction reactions of hydrogen. To do this, the surface areas of the electrochemical cells are chosen so that the variations in current density compensate for the pressure variations along the compressor.
L'optimisation de la pressurisation de l'hydrogène sans accumulation d'eau ni assèchement dans les différents compartiments du dispositif est assuré en ajustant la densité de courant des AME en fonction de la pression. Ainsi, il est possible de maintenir l'humidité relative constante quelle que soit la pression du compartiment séparant deux AME adjacents. The optimization of the pressurization of the hydrogen without accumulation of water or drying in the various compartments of the device is ensured by adjusting the current density of the MEAs as a function of the pressure. Thus, it is possible to keep the relative humidity constant regardless of the chamber pressure separating two adjacent AMEs.
Selon un autre aspect, l'invention vise un procédé de compression électrochimique de l'hydrogène ou d'un mélange gazeux contenant de l'hydrogène basé sur l'utilisation d'un dispositif comprenant une pluralité d'assemblages membrane-électrodes (AME) reliés en série les uns aux autres, chaque assemblage membrane-électrodes formant une cellule électrochimique, en particulier un dispositif tel que décrit ci-dessus. Un tel procédé comporte les étapes suivantes : In another aspect, the invention is directed to a method of electrochemically compressing hydrogen or a gas mixture containing hydrogen based on the use of a device comprising a plurality of membrane-electrode assemblies (MEAs). connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell, in particular a device as described above. Such a method comprises the following steps:
application d'un courant électrique constant à chaque cellule électrochimique d'un ensemble de cellules électrochimiques reliées en série, l'intensité dudit courant électrique étant la même pour chaque cellule électrochimique,  applying a constant electric current to each electrochemical cell of a series of electrochemical cells connected in series, the intensity of said electric current being the same for each electrochemical cell,
injection d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène dans un premier compartiment anodique, avantageusement dans le comportement anodique de la première cellule électrochimique de l'ensemble des cellules ;  injecting a gaseous mixture comprising hydrogen into a first anode compartment, advantageously in the anode behavior of the first electrochemical cell of all the cells;
traversée, par l'hydrogène, d'une succession de cellules électrochimiques soumises à des densités de courant successivement croissantes. Ce procédé est avantageusement mis en œuvre au moyen d'une seule source de courant électrique qui est connectée aux deux AME disposés de part et d'autre du dispositif selon l'invention.  through hydrogen, a succession of electrochemical cells subjected to successively increasing current densities. This method is advantageously implemented by means of a single source of electric current which is connected to the two AMEs arranged on either side of the device according to the invention.
La densité de courant est définie par la formule mentionnée ci-dessus. The current density is defined by the formula mentioned above.
Dans ce procédé, le ratio ng est avantageusement constant tout au long du dispositif. In this method, the ratio n g is advantageously constant throughout the device.
Dans ce procédé, la température est avantageusement maintenue constante. De manière encore plus avantageuse, elle correspond à la température optimale de la membrane mise en œuvre dans les cellules électrochimiques. In this process, the temperature is advantageously kept constant. Even more advantageously, it corresponds to the optimum temperature of the membrane used in the electrochemical cells.
La présente invention concerne également l'utilisation du dispositif pour purifier l'hydrogène et/ou compresser l'hydrogène. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative. The present invention also relates to the use of the device for purifying hydrogen and / or compressing hydrogen. The invention and the advantages thereof will appear more clearly from the following figures and examples given to illustrate the invention and not in a limiting manner.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES SUMMARY DESCRIPTION OF THE FIGURES
D'autres buts et aspects avantageux de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif à l'appui des figures annexées, dans lesquelles : Other objects and advantageous aspects of the invention will emerge more clearly on reading the detailed description which follows, given for information only and in no way restrictive in support of the appended figures, in which:
la figure 1 représente le principe de la purification et de la compression d'hydrogène à travers une cellule électrochimique.  Figure 1 shows the principle of purification and compression of hydrogen through an electrochemical cell.
la figure 2 représente un compresseur d'hydrogène à travers un empilement à étages de cellules électrochimiques présentant des surfaces d'aire identique,  FIG. 2 represents a hydrogen compressor through a stack of electrochemical cells having surfaces of identical area,
la figure 3 représente un dispositif selon l'invention, c'est-à-dire un empilement à étages de cellules électrochimiques présentant des surfaces d'aire décroissante dans le sens du flux d'hydrogène et d'eau, chacun des AME étant connecté à une source distincte de courant électrique.  FIG. 3 represents a device according to the invention, that is to say a staged stack of electrochemical cells having areas of decreasing area in the direction of the flow of hydrogen and water, each of the AME being connected to a separate source of electrical power.
la figure 4 représente un dispositif selon l'invention, c'est-à-dire un empilement à étages de cellules électrochimiques présentant des surfaces d'aire décroissante dans le sens du flux d'hydrogène et d'eau, et comprenant une source externe de courant électrique unique.  FIG. 4 represents a device according to the invention, that is to say a staged stack of electrochemical cells having areas of decreasing area in the direction of the flow of hydrogen and water, and comprising an external source; single electric current.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Il va à présent être décrit un dispositif permettant de résoudre le problème d'accumulation d'eau au niveau des électrodes et membranes des cellules électrochimiques d'un compresseur, tout en réduisant l'énergie électrique nécessaire pour obtenir de l'hydrogène comprimé. It will now be described a device for solving the problem of water accumulation at the electrodes and electrochemical cell membranes of a compressor, while reducing the electrical energy required to obtain compressed hydrogen.
La figure 1 décrit le principe de fonctionnement d'un compresseur électrochimique d'hydrogène. La cellule électrochimique, est constituée d'un assemblage membrane/électrodes, dans laquelle la et le sont respectivement les compartiments anodique et cathodique ; 2a et 2c sont des couches de diffusion, généralement en matériau carboné poreux ; 3a et 3c sont respectivement les électrodes d'anode et de cathode ; et, 4 est la membrane échangeuse de protons de résistance (Rm). Figure 1 describes the operating principle of an electrochemical hydrogen compressor. The electrochemical cell consists of a membrane / electrode assembly, in which the and the are respectively the anode and cathode compartments; 2a and 2c are diffusion layers, generally made of porous carbonaceous material; 3a and 3c are respectively the anode and cathode electrodes; and, 4 is the resistance proton exchange membrane (Rm).
Chacune des électrodes est généralement associée à un collecteur de courant qui n'est pas représenté pour ne pas nuire à la clarté des figures. Each of the electrodes is generally associated with a current collector which is not shown so as not to impair the clarity of the figures.
À une température optimale de la membrane (T), un courant constant (I) correspond à un flux constant du nombre de moles de protons H+, imposé par une surtension électrique At an optimum temperature of the membrane (T), a constant current (I) corresponds to a constant flux of the number of moles of protons H + , imposed by an electrical surge
Dans le cas d'une purification avec compression, lorsqu'un flux d'hydrogène et d'eau traverse une cellule électrochimique, la pression en hydrogène en sortie de cathode est supérieure à la pression en hydrogène à l'anode i . Ainsi la surtension électrique nécessaire pour amorcer la réaction est définie par la formule suivante : In the case of compression purification, when a flow of hydrogen and water passes through an electrochemical cell, the hydrogen pressure at the cathode outlet is greater than the hydrogen pressure at the anode i. Thus the electrical overvoltage necessary to initiate the reaction is defined by the following formula:
La grandeur ng, correspondant au ratio entre le nombre (m ) de moles d'eau constituant le cortège entourant les protons et le nombre ( n ) de moles de protons traversant la membrane, dépend des conditions opératoires de fonctionnement, c'est-à-dire de la température, la densité de courant et la pression partielle d'hydrogène, soit : . On peut donc prédire que le ratio (ng) diminue lorsque la The quantity n g , corresponding to the ratio between the number (m) of moles of water constituting the procession surrounding the protons and the number (n) of moles of protons crossing the membrane, depends on the operating conditions of operation, that is, that is, the temperature, the current density and the hydrogen partial pressure, that is: We can therefore predict that the ratio (n g ) decreases when the
pression partielle en hydrogène à la cathode augmente, et donc que le nombre de Hydrogen partial pressure at the cathode increases, and therefore the number of
moles de protons traversant la membrane augmente. La figure 2 illustre un compresseur comprenant k cellules électrochimiques (AMEs) de surfaces de même aire. Dans ce type de compresseur à plusieurs étages, on observe une croissance de la pression partielle en hydrogène le long des étages de compression. Ainsi, .moles of protons crossing the membrane increases. FIG. 2 illustrates a compressor comprising k electrochemical cells (AMEs) of surfaces of the same area. In this type of multistage compressor, there is a growth of the hydrogen partial pressure along the compression stages. So, .
Les assemblages membrane/électrodes (AME) ont des surfaces de même aire (S) alors que ng n'est fonction que de la pression d'hydrogène. Il s'ensuit donc que cette fonction décroit avec l'augmentation de la pression, par conséquent le paramètre (m ) correspondant au nombre de moles d'eau traversant la membrane conductrice protonique décroit le long des étages. The membrane / electrode assemblies (AME) have surfaces of the same area (S) whereas n g is only a function of the hydrogen pressure. It follows therefore that this function decreases with increasing pressure, therefore the parameter (m) corresponding to the number of moles of water passing through the protonic conductive membrane decreases along the stages.
Dans le but d'améliorer la gestion de l'eau dans les compresseurs électrochimiques à plusieurs étages de compression, il est proposé de modifier la densité de courant le long des étages de compression. In order to improve the management of water in electrochemical compressors with multiple compression stages, it is proposed to modify the current density along the compression stages.
Ainsi l'évolution de la grandeur ng dépendra de deux paramètres à savoir la pression et la densité de courant. L'effet de la pression sur la grandeur ng sera contrebalancé par celui de la densité de courant de façon à maintenir la grandeur ng constante le long du compresseur, ce qui permettra d'éviter toute accumulation d'eau entre deux étages consécutifs. Thus the evolution of the size n g will depend on two parameters namely the pressure and the current density. The effect of the pressure on the quantity n g will be counterbalanced by that of the current density so as to maintain the magnitude n g constant along the compressor, which will prevent any accumulation of water between two consecutive stages.
Des différents modèles tirés de la littérature, on note une croissance de la grandeur ng dans le même sens que celle de la densité de courant. Cela suggère que pour compenser la diminution de la grandeur ng due à l'effet de la pression, il est nécessaire d'augmenter la densité de courant. From different models drawn from the literature, we note a growth of the magnitude n g in the same direction as that of the current density. This suggests that to compensate for the decrease in magnitude n g due to the effect of pressure, it is necessary to increase the current density.
A cet effet, l'invention propose une diminution de l'aire de la surface des cellules électrochimiques le long du compresseur qui permet cette augmentation à courant constant (Figures 3 et 4). Le rapport de réduction entre les surfaces de deux cellules électrochimiques consécutives dépend des conditions opératoires optimales souhaitées. Dans ces deux modes de réalisation, l'espacement entre cellules électrochimiques peut être constant ou diminuer dans le sens de circulation de l'hydrogène. En outre, les électrodes et la membrane de chaque AME présentent avantageusement une surface de même aire. For this purpose, the invention proposes a reduction of the surface area of the electrochemical cells along the compressor which allows this constant current increase (FIGS. 3 and 4). The reduction ratio between the surfaces of two consecutive electrochemical cells depends on the desired optimal operating conditions. In these two embodiments, the spacing between electrochemical cells can be constant or decrease in the direction of circulation of hydrogen. In addition, the electrodes and the membrane of each MEA advantageously have a surface of the same area.
Alors que le dispositif illustré par la figure 3 comprend une pluralité d'assemblages membrane/électrodes électriquement isolés les uns des autres, la figure 4 illustre un autre mode de réalisation dans lequel le dispositif selon l'invention comprend une pluralité d'assemblages membrane/électrodes électroniquement connectés en série les uns aux autres, au moyen du conducteur électronique (5). Ce dispositif concerne le cas où chacun des AME est relié à une source externe de courant électrique unique. While the device illustrated in FIG. 3 comprises a plurality of membrane / electrically isolated assemblies electrically isolated from each other, FIG. 4 illustrates another embodiment in which the device according to the invention comprises a plurality of membrane assemblies. electrodes electronically connected in series to each other by means of the electronic conductor (5). This device relates to the case where each of the MEAs is connected to an external source of single electric current.
Le conducteur électronique (5) assure la connexion entre deux AME consécutifs. Il est en matériau électroniquement conducteur et peut notamment se présenter sous forme de grille, de grilles superposées, de mousse, de tissu de carbone, de poreux (matériau comprenant des vides, pores) à base de particules conductrices frittées... Le matériau électroniquement conducteur (5) peut être en un matériau qui ne se dégradera pas dans les conditions de fonctionnement choisies. Le matériau électroniquement conducteur (5) est avantageusement choisi dans le groupe comprenant essentiellement le titane, le carbone mais aussi certains métaux ou alliages (acier notamment) avantageusement revêtus d'un dépôt moins sensible à la corrosion (par exemple un revêtement d'or ou à base de chrome). De manière avantageuse, il ne s'agit pas de Ni ,A1, Cu, ou Zn. The electronic conductor (5) provides the connection between two consecutive MEAs. It is made of an electronically conductive material and may especially be in the form of a grid, superimposed grids, foam, carbon fabric, porous (material comprising voids, pores) based on sintered conductive particles ... The material electronically conductor (5) may be of a material that will not degrade under the selected operating conditions. The electronically conductive material (5) is advantageously chosen from the group consisting essentially of titanium, carbon, but also certain metals or alloys (in particular steel) advantageously coated with a deposit less sensitive to corrosion (for example a coating of gold or based on chromium). Advantageously, it is not Ni, A1, Cu, or Zn.
Comme déjà dit, le conducteur électronique (5) permet de connecter électroniquement une première électrode d'un premier AME et une deuxième électrode d'un deuxième AME adjacent, ces électrodes étant de signes opposés. Eu égard à leur connexion électronique, lesdites première et deuxième électrodes sont au même potentiel. En d'autres termes, une électrode d'un AME est au même potentiel que l'électrode en regard de l'ΑΜΕ adjacent. Selon un mode de réalisation particulier, le conducteur électronique (5) est en un matériau poreux. Il peut ainsi définir le volume du compartiment séparant deux AME successifs, notamment lorsqu'il se présente sous la forme d'une mousse, empilement de grilles ou poreux de particules frittées en matériau électroniquement conducteur. As already said, the electronic conductor (5) electronically connects a first electrode of a first MEA and a second electrode of a second MEA adjacent, these electrodes being of opposite signs. In view of their electronic connection, said first and second electrodes are at the same potential. In other words, an electrode of an AME is at the same potential as the electrode opposite the adjacent ΑΜΕ. According to a particular embodiment, the electronic conductor (5) is made of a porous material. It can thus define the volume of the compartment separating two successive MEAs, especially when it is in the form of a foam, stack of grids or porous sintered particles of electronically conductive material.
L'utilisation d'une source externe de courant électrique unique permet de moduler très facilement le flux d'hydrogène à comprimer en ne pilotant qu'une seule source de courant et permet d'utiliser des alimentations électriques dans leur plage de fonctionnement optimale en termes d'efficacité énergétique (une alimentation électrique aura du mal à fournir un fort courant avec une faible tension). The use of a single external source of electric current makes it possible to very easily modulate the flow of hydrogen to be compressed by driving a single current source and makes it possible to use power supplies in their optimal operating range in terms of energy efficiency (a power supply will have difficulty providing a high current with a low voltage).
La présente invention fournit un moyen de calculer les surfaces des cellules électrochimiques (S) constituant le compresseur à plusieurs étages. L'expression de la grandeur ng en fonction des paramètres température (T), densité de courant (j) et pression d'hydrogène est donnée par la relation suivante :The present invention provides a means for calculating the surfaces of the electrochemical cells (S) constituting the multi-stage compressor. The expression of the quantity n g as a function of the parameters temperature (T), current density (j) and hydrogen pressure is given by the following relation:
p J p J
L'objectif est de maintenir un flux d'eau constant le long du compresseur électrochimique à température et à courant constants, ce qui permet d'obtenir une dépendance exclusivement entre la pression d'hydrogène et la densité de courant. La relation peut se réécrire de la façon suivante : The objective is to maintain a constant flow of water along the electrochemical compressor at constant temperature and current, which makes it possible to obtain a dependence exclusively between the hydrogen pressure and the current density. The relationship can be rewritten as follows:
A une température donnée, la grandeur ng est connue ou peut être déterminée expérimentalement. On peut donc pour chaque valeur ng donnée établir la relation entre la densité de courant et la pression d'hydrogène, soit la relation suivante : At a given temperature, the quantity n g is known or can be determined experimentally. It is therefore possible for each value n g given to establish the relation between the current density and the hydrogen pressure, namely the following relation:
En connaissant la valeur de la pression, il est donc possible d'en déduire la densité de courant adaptée et, dans le cas d'un fonctionnement à courant constant, l'aire de la surface adaptée. Knowing the value of the pressure, it is therefore possible to deduce the appropriate current density and, in the case of constant current operation, the area of the adapted surface.
D'autre part, l'espacement entre les assemblages membrane électrode dans le compresseur permet d'ajuster la pression d'hydrogène entre deux cellules électrochimiques voisines. Ainsi, en gardant un espacement constant entre cellules électrochimiques adjacentes (tel que cela est représenté sur les figures 2, 3 et 4), le volume du compartiment délimité par deux cellules électrochimiques successives diminue le long du flux d'hydrogène dans le compresseur. On obtient ainsi une augmentation supplémentaire de la pression sans fournir d'énergie électrique supplémentaire. On the other hand, the spacing between the membrane electrode assemblies in the compressor makes it possible to adjust the hydrogen pressure between two adjacent electrochemical cells. Thus, by keeping a constant spacing between adjacent electrochemical cells (as shown in FIGS. 2, 3 and 4), the volume of the compartment delimited by two successive electrochemical cells decreases along the flow of hydrogen in the compressor. This gives a further increase in pressure without providing additional electrical energy.
La surtension électrique nécessaire pour amorcer les réactions électrochimiques s'écrit alors en fonction des pressions d'hydrogène à l'étage I et à l'étage I+1 et les volumes VI et VI+1 des compartiments délimités respectivement par les cellules I et 1+1 d'une part et les cellules I+1 et I+2 d'autre part, sous la forme : Electric surge necessary to prime electrochemical reactions is then written as a function of hydrogen pressures on stage I and at the stage I + 1 and the volumes V I and V I + 1 of the compartments delimited respectively by the cells I and 1 + 1 on the one hand and the cells I + 1 and I + 2 on the other hand, under the form:
Dans cette expression, le second terme représente un gain d'énergie électrique dû à la diminution du volume des compartiments délimités par les cellules électrochimiques I et 1+1 d'une part et les cellules I+1 et I+2 d'autre part. In this expression, the second term represents a gain in electrical energy due to the decrease in the volume of the compartments delimited by the electrochemical cells I and 1 + 1 on the one hand and the cells I + 1 and I + 2 on the other hand .
De cette manière, il est possible d'adapter l'espacement entre les électrodes de manière à optimiser le gain d'énergie électrique dû à la diminution du volume des compartiments délimités par deux cellules électrochimiques successives suivant le flux d'hydrogène dans le compresseur. Non seulement ce gain est intéressant lorsque l'espacement entre cellules électrochimiques successives est maintenu constant, mais il peut par ailleurs être optimisé en réduisant d'avantage l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes. La connaissance des variations du paramètre ng en fonction de la pression d'hydrogène et de la densité de courant permet d'adapter la géométrie d'un compresseur électrochimique afin de résoudre le problème d'accumulation d'eau sur les anodes des cellules électrochimiques et d'obtenir un gain sur l'énergie électrique nécessaire pour amorcer les réactions électrochimiques. In this way, it is possible to adapt the spacing between the electrodes so as to optimize the gain in electrical energy due to the decrease in the volume of the compartments delimited by two successive electrochemical cells according to the flow of hydrogen in the compressor. Not only is this gain interesting when the spacing between successive electrochemical cells is kept constant, but it can also be optimized by further reducing the spacing between adjacent electrochemical cells. The knowledge of the variations of the parameter n g as a function of the hydrogen pressure and the current density makes it possible to adapt the geometry of an electrochemical compressor in order to solve the problem of water accumulation on the anodes of the electrochemical cells. and obtain a gain on the electrical energy necessary to initiate the electrochemical reactions.
EXEMPLE DE RÉALISATION EXAMPLE OF REALIZATION
Dans cet exemple, les cellules électrochimiques qui composent le compresseur électrochimique sont soumises aux mêmes contraintes mécaniques. Par conséquent, la même différence de pression d'hydrogène est imposée au niveau des différentes cellules électrochimiques. Cette différence de pression est choisie en fonction de l'épaisseur et des propriétés mécaniques de la membrane échangeuse de protons. In this example, the electrochemical cells that make up the electrochemical compressor are subjected to the same mechanical stresses. Consequently, the same difference in hydrogen pressure is imposed on the different electrochemical cells. This pressure difference is chosen as a function of the thickness and the mechanical properties of the proton exchange membrane.
Dans cet exemple, la membrane échangeuse de protons est constituée de Nafïon®. Ainsi, la température de fonctionnement du compresseur est choisie en fonction de la température optimale de ce matériau, égale à 80°C. Le compresseur fonctionne à température constante. In this example, the proton exchange membrane is composed of Nafion ®. Thus, the operating temperature of the compressor is chosen according to the optimum temperature of this material, equal to 80 ° C. The compressor runs at a constant temperature.
A titre d'exemple, l'invention permet de calculer les surfaces (S) de chaque cellule électrochimique pour un compresseur à quatre étages, composé de cinq cellules électrochimiques, la surface de la première cellule étant imposée. By way of example, the invention makes it possible to calculate the surfaces (S) of each electrochemical cell for a four-stage compressor composed of five electrochemical cells, the surface of the first cell being imposed.
Dans cet exemple et pour chaque cellule, la surface des deux électrodes est égale à la surface de la membrane. En outre, cette surface correspond à la surface utile, c'est-à- dire à la surface sur laquelle les réactions électrochimiques peuvent avoir lieu (en contact avec le flux gazeux, notamment d'hydrogène et le courant). Selon l'invention et comme déjà dit, un courant constant est imposé, en l'occurrence égale à 100A. In this example and for each cell, the surface of the two electrodes is equal to the surface of the membrane. In addition, this surface corresponds to the useful surface, that is to say to the surface on which the electrochemical reactions can take place (in contact with the gas flow, in particular hydrogen and the current). According to the invention and as already said, a constant current is imposed, in this case equal to 100A.
La surface du premier assemblage membrane/électrodes (AME) S0 est fixée à 100 cm2. Au vu du courant (I) constant de 200 A imposé, ceci correspond à une densité de courant (j0) égale à 2 A/cm2. Le premier assemblage membrane/électrodes (AME) So est soumis à une différence de pression nulle et la pression d'entrée d'hydrogène dans le compresseur électrochimique est la pression atmosphérique (1 bar). Chaque assemblage membrane/électrodes (AME) est soumis à une différence de pression de l'ordre de 5 bars. The surface of the first membrane / electrode assembly (AME) S 0 is set at 100 cm 2 . Given the constant current (I) of 200 A imposed, this corresponds to a current density (j 0 ) equal to 2 A / cm 2 . The first membrane / electrode assembly (AME) So is subjected to a zero pressure difference and the hydrogen inlet pressure in the electrochemical compressor is the atmospheric pressure (1 bar). Each membrane / electrode assembly (AME) is subjected to a pressure difference of the order of 5 bars.
Des données issues de la littérature permettent d'établir la relation ci-dessous entre la densité de courant et la pression d'hydrogène (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173 - 5186) : avec α=2,27 ; β=0,003 ; γ=-0,02 ; δ=-0,70 ; η=0,005 ; ξ=-0,0002 et μ=0,02 et avec Τ exprimé en °C, P en bars et j en A/cm2. Data from the literature makes it possible to establish the following relationship between the current density and the hydrogen pressure (Medina P., M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-5186): with α = 2.27; β = 0.003; γ = -0.02; δ = -0.70; η = 0.005; ξ = -0.0002 and μ = 0.02 and with Τ expressed in ° C, P in bars and j in A / cm 2 .
Pour le Nafion parfaitement hydraté à 40°C et à pression atmosphérique (1 bar, 101 kPa), sous une densité de courant de 2 A/cm2, la valeur de ng égale à 1,39. Avec cette même relation, et en maintenant ng et la température constants tout le long des différentes étages du compresseur, nous pouvons exprimer la densité de courant en fonction de de P : For the Nafion perfectly hydrated at 40 ° C and at atmospheric pressure (1 bar, 101 kPa), under a current density of 2 A / cm 2 , the value of n g equal to 1.39. With this same relation, and keeping ng and temperature constant all along the different stages of the compressor, we can express the current density as a function of P:
PP
P P
Le courant I traversant tous les AME étant constant, alors S, conséquent, So x jo = Si x ji = S2 x j2 = S3 x j3 = S4x j4 à = 6 bars, j1 vaut 2,15 A/cm2 d'où S1 = 93 cm2 ; Since the current I crossing all the AMEs is constant, then S, therefore, S o x i o = S i x i = S 2 x i 2 = S 3 x i 3 = S 4 x j 4 at = 6 bar, j 1 is 2.15 A / cm 2 from which S1 = 93 cm 2 ;
à = 11 bars, j2 vaut 2,40 A/cm2 d'où S2 = 83 cm2 ; at = 11 bar, j 2 is 2.40 A / cm 2, from which S 2 = 83 cm 2 ;
à = 16 bars, j3 vaut 2,90 A/cm2 d'où S3 = 69 cm2 ; at = 16 bar, j 3 is 2.90 A / cm 2 from which S 3 = 69 cm 2 ;

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages, apte à pressuriser de l'hydrogène s 'écoulant à travers ce dispositif, ledit dispositif comprenant : 1. A device forming a multi-stage electrochemical compressor, able to pressurize hydrogen flowing through this device, said device comprising:
■ une entrée et une sortie d'hydrogène ;  ■ a hydrogen inlet and outlet;
■ au moins deux assemblages membrane-électrodes (AME), chaque assemblage membrane-électrodes formant une cellule électrochimique ; lesdits AME étant agencés de sorte à être traversés par un flux d'hydrogène, et étant électriquement connectés en série les uns aux autres ; chacun des AME comprenant une surface active apte à assurer les réactions d'oxy do -réduction de l'hydrogène ;  At least two membrane-electrode assemblies (MEAs), each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell; said MEAs being arranged to be traversed by a stream of hydrogen, and being electrically connected in series with each other; each of the MEAs comprising an active surface capable of providing oxy-reduction reactions of hydrogen;
les AME présentant des surfaces actives distinctes les unes des autres, et décroissant selon la direction de circulation de l'hydrogène.  MEAs having active surfaces that are distinct from one another and decreasing in the direction of circulation of hydrogen.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes est constant suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur, et en ce que le volume du compartiment délimité par deux cellules électrochimiques successives est décroissant suivant la direction de circulation de l'hydrogène à travers le compresseur. 2. Device according to claim 1, characterized in that the spacing between adjacent electrochemical cells is constant according to the flow of hydrogen through the compressor, and in that the volume of the compartment delimited by two successive electrochemical cells is decreasing according to the flow direction of hydrogen through the compressor.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes diminue suivant la direction de circulation de l'hydrogène à travers le compresseur. 3. Device according to claim 1, characterized in that the spacing between adjacent electrochemical cells decreases in the direction of flow of hydrogen through the compressor.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de cellules électrochimiques, l'aire de la surface active (Sn) d'une nième cellule électrochimique dans le compresseur étant déterminée par la relation suivante : 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a plurality of electrochemical cells, the area of the active surface (S n ) of an n th electrochemical cell in the compressor being determined by the following relation:
dans laquelle, (S1) et (S2) représentent l'aire de la surface de la première et la deuxième cellule électrochimique respectivement, et (j1), (j2) et (jn) représentent la densité de courant traversant respectivement la première, la deuxième et la nième cellule électrochimique. in which, (S 1 ) and (S 2 ) represent the surface area of the first and second electrochemical cells respectively, and (j 1) , (j 2 ) and (j n ) represent the current density respectively passing through the first, the second and the n th electrochemical cell.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface active de chaque cellule électrochimique est plane. 5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the active surface of each electrochemical cell is flat.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée d'hydrogène est au niveau du compartiment anodique du premier AME, et en ce que la sortie d'hydrogène est au niveau du compartiment cathodique du dernier AME. 6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen inlet is at the anode compartment of the first MEA, and in that the hydrogen outlet is at the cathode compartment of the last MEA. .
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes et la membrane de chaque AME présentent une surface de même aire. 7. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrodes and the membrane of each AME have a surface of the same area.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les AME sont connectés entre eux au moyen d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le titane ; le carbone ; et les aciers ou alliages revêtus d'un dépôt d'or ou à base de chrome. 8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the MEAs are connected to each other by means of a material selected from the group comprising titanium; carbon; and steels or alloys coated with a gold or chromium-based deposit.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les AME sont connectés entre eux au moyen d'un matériau électroniquement conducteur et se présentant sous forme de grille, de grilles superposées, de mousse, de tissu de carbone, ou de poreux à base de particules conductrices frittées. 9. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the MEAs are connected to each other by means of an electronically conductive material and being in the form of a grid, superimposed grids, foam, carbon fabric, or porous based on sintered conductive particles.
10. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour purifier l'hydrogène. 10. Use of the device according to any one of claims 1 to 9 for purifying hydrogen.
11. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour compresser l'hydrogène. 11. Use of the device according to any one of claims 1 to 9 for compressing hydrogen.
12. Procédé de compression électrochimique de l'hydrogène, susceptible d'être mis en œuvre à l'aide du dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, comportant les étapes suivantes : 12. A method of electrochemical compression of hydrogen, which can be implemented using the device according to one of claims 1 to 9, comprising the following steps:
application d'un courant électrique constant à chaque cellule électrochimique d'un ensemble de cellules électrochimiques reliées en série, l'intensité dudit courant électrique étant la même pour chaque cellule électrochimique ;  applying a constant electric current to each electrochemical cell of a series of electrochemical cells connected in series, the intensity of said electric current being the same for each electrochemical cell;
injection d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène dans un premier compartiment anodique ;  injecting a gaseous mixture comprising hydrogen into a first anode compartment;
traversée, par l'hydrogène, d'une succession de cellules électrochimiques soumises à des densités de courant successivement croissantes.  through hydrogen, a succession of electrochemical cells subjected to successively increasing current densities.
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US8282811B2 (en) * 2001-08-29 2012-10-09 Giner Electrochemical Systems, Llc Method and system for producing high-pressure hydrogen
JP2003213471A (en) * 2002-01-21 2003-07-30 Sony Corp Gas compressor
US20040211679A1 (en) * 2002-03-07 2004-10-28 Wong Terrance Y.H. Electrochemical hydrogen compressor
US9005411B2 (en) * 2012-01-11 2015-04-14 Xergy Inc Electrochemical compression system

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