EP4413181A1 - Convertisseur photoélectrochimique pour la production de dihydrogène - Google Patents

Convertisseur photoélectrochimique pour la production de dihydrogène

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Publication number
EP4413181A1
EP4413181A1 EP22799900.0A EP22799900A EP4413181A1 EP 4413181 A1 EP4413181 A1 EP 4413181A1 EP 22799900 A EP22799900 A EP 22799900A EP 4413181 A1 EP4413181 A1 EP 4413181A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
block
cathode
photovoltaic module
converter according
Prior art date
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Pending
Application number
EP22799900.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel PELLAT
Guilhem Roux
Muriel Matheron
Sophie CHARTON
Vincent ARTEGO
Angela R.A. MARAGNO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
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    • C25B9/13—Single electrolytic cells with circulation of an electrolyte
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    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/67—Heating or cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
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    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectrochemical converter for the generation of dihydrogen.
  • a gaseous release of dihydrogen is produced at the level of the cathode which can then be stored for later use as fuel to generate electrical energy within a fuel cell.
  • the Becker et al. also includes a water cooling network for the photovoltaic module to prevent excessive heating of this module under the effect of solar radiation.
  • the invention proposes a photoelectrochemical converter comprising a photovoltaic module and an electrochemical module comprising an anode block, a cathode block and an electrolysis cell, sandwiched between the anode block and the cathode block, and which is powered electrically by the module photovoltaic to electrolyze water in order to generate dihydrogen, the electrolysis cell delimiting with the cathode block a cathode chamber and with the anode block an anode chamber for the circulation of fluid in contact with the cell electrolysis, the electrochemical module comprising a water distribution circuit opening downstream into the anode chamber and comprising a heat exchange portion, for exchanging heat with the photovoltaic module, which is arranged between the cathode chamber and the photovoltaic module.
  • the water which circulates in the water distribution circuit has on the one hand the function of heat transfer liquid, by exchanging heat the photovoltaic module, and on the other hand of reactant for the water electrolysis.
  • the photoelectrochemical converter according to the invention is easy to manufacture since it can comprise a single water distribution circuit for both the heat exchange and the water supply to the electrolysis cell.
  • the heat exchange between the water and the photovoltaic module preferably resulting in a cooling of the photovoltaic module and in a heating of the water, the kinetics of the electrolysis reaction is accelerated.
  • the anode block and the cathode block together completely cover the electrolysis cell.
  • the anode block and the cathode block form a hermetic enclosure in which the electrolysis cell is housed, with the exception of the openings provided for introducing and extracting water and for extracting the dioxygen and the dihydrogen resulting from the water electrolysis.
  • the cathode block is arranged between the photovoltaic module and the anode block.
  • the water distribution circuit is provided at least partially, or even entirely, in the mass of the electrochemical module. This limits the risk of water leaks within the electrochemical module.
  • a portion of the water distribution circuit can be arranged between the anode block and the cathode block, and be remote from the electrolysis cell.
  • said distribution portion may be a tubular connector fixed by each of its ends to openings made in the cathode block and in the anode block respectively, in particular in a variant where the photovoltaic cell is not superposed with the electrolytic cell.
  • the heat exchange portion is made in the mass of the cathode block.
  • the heat exchange portion may be a chamber, for example of parallelepipedal shape.
  • the heat exchange portion comprises at least one, preferably several heat exchange ducts, in order to increase the heat exchange surface with the photovoltaic module.
  • the heat exchange duct(s) may have a diameter of between 1 mm and 10 mm, in order to promote flow turbulence and heat exchange.
  • the heat exchange ducts may extend parallel to each other.
  • the heat exchange ducts can extend parallel to the face of the photovoltaic module facing the electrochemical module.
  • the heat exchange portion preferably the heat exchange conduit(s), is less than 5 mm from the photovoltaic module.
  • the heat exchange portion preferably comprises a distribution chamber and a collection chamber, each heat exchange duct opening upstream into the heat exchange chamber. distribution and downstream in the collection chamber.
  • the distribution chamber and the collection chamber are made in the mass of the cathode block.
  • the distribution circuit comprises an introduction duct opening upstream thereof through a water inlet opening provided in the anode block and downstream into the heat exchange portion, preferably through an opening provided in the distribution chamber.
  • the water inlet opening can lead to the face of the anode block opposite the photovoltaic module and/or the cathode block.
  • the electrochemical module may have a bottom, preferably opposite the photovoltaic module, and a side face which extends from the bottom, preferably as far as the photovoltaic module.
  • the water inlet opening can lead to the side face of the electrochemical module.
  • the side face of the electrochemical module can be a face of the anode block.
  • the introduction duct may be delimited in part by a tubular portion emerging through the water inlet opening and which protrudes from the face of the anode block opposite the photovoltaic module.
  • the introduction duct crosses the anode block and the electrolysis cell right through according to their respective thicknesses.
  • the introduction duct is preferably delimited, at least in part, by the walls of coaxial through-holes made in the respective thicknesses of the cathode block and of the electrolysis cell.
  • the distribution circuit preferably comprises an anode distribution duct which opens upstream into the heat exchange portion, preferably into the collection chamber, and downstream into the anode compartment.
  • the anode distribution duct may comprise, in succession and from its upstream to its downstream, a portion formed in the mass of the cathode block, a portion formed in the electrolysis cell which crosses the electrolysis cell right through in its thickness, and a portion formed in the mass of the anode block.
  • the portion formed in the mass of the anode block opens downstream into the anode chamber.
  • the portion formed in the mass of the anode block can be delimited by a wall projecting from the face of the anode block opposite the electrolysis cell.
  • the distribution duct may comprise:
  • first and second portions formed in the mass of the electrochemical module, opening downstream into the anode chamber and upstream through a second opening on said face of the anode block, the first and second portions being in fluid communication by a connection, preferably tubular, the opposite ends of which are fixed respectively to the first and second openings.
  • the anode block may comprise an anode purge pipe, for the evacuation of the water and of the oxygen formed by the anode reaction, which opens upstream into the anode chamber and downstream into an anode purge opening formed on one face of the anode block, preferably on the face opposite the electrolytic cell.
  • the anode block may include an anode recess provided on the face facing the electrolysis cell, and remote from the electrolysis cell, so as to form, with the electrolysis cell, the anode chamber for contacting water with the electrolysis cell.
  • the anode block may comprise on the face facing the electrolysis cell, one or more reliefs which protrude from the anode recess and which form at least one channel for distributing the water in the anode chamber in a homogeneous manner over the electrolysis cell.
  • the anode block preferably comprises a bottom wall and a side wall extending from the bottom wall and which delimits a cavity in which the electrolysis cell and, preferably, the cathode block are housed.
  • the anode recess is preferably formed in the face of the bottom wall of the anode block which delimits the cavity.
  • the anode block may comprise a casing and an anode flow plate housed in the casing and in contact with the electrolysis cell, and which carry said reliefs.
  • the flow plate is preferably in contact with the housing.
  • the anode block can be made of a ceramic, thermoplastic or metallic material.
  • the electrochemical module comprises an electrical insulation member placed between the anode block and the cathode block.
  • the anode block is preferably made of a stainless and/or ultraviolet-resistant material.
  • it can be made of polyamide, in particular of PAU and/or of PA12, or of an aluminum alloy, or of stainless steel.
  • the anode block may have a generally parallelepipedal shape.
  • the length and/or the width of the anode block can be greater than 5 cm, for example 20 cm, or even 60 cm.
  • the length and the width of the anode block can be equal.
  • the thickness of the anode block can be between 1 cm and 50 cm.
  • the cathode block can be made of a ceramic, thermoplastic or metallic material.
  • the cathode block is made of an electrically conductive material, preferably metallic.
  • the cathode block can electrically connect the photovoltaic module to the electrolysis cell.
  • a metallic cathode block promotes heat exchange with the photovoltaic module.
  • the cathode block can be chosen from an aluminum alloy, a steel, in particular stainless steel and a nickel alloy.
  • the cathode block may comprise, or even consist of, a cathode body made of an electrically insulating material, preferably ceramic or thermoplastic, the electrochemical converter comprising an electrical connection member electrically connecting the photovoltaic module to the electrolysis cell , the electrical connection member comprising a portion passing right through the cathode body.
  • the electrical connection member is, for example, a metal cable which crosses the cathode body right through through an electrical connection hole formed in the thickness of the cathode body.
  • the walls of the electrical connection hole can be covered with an electrically conductive layer which thus forms said portion of the electrical connection member.
  • the cathode block may comprise a cathode flow plate made of an electrically conductive material, preferably metallic, which delimits the cathode chamber with the electrolysis cell.
  • the cathode flow plate may be housed in a niche formed in the cathode body. It is preferably electrically connected to the photovoltaic module by the electrical connection member and is in contact with the electrolysis cell.
  • the electrical connection member may be integral with the cathodic flow plate.
  • the cathode block may comprise at least one cathode recess formed in the part of its face facing the electrolysis cell, the faces of the cathode recess and the electrolysis cell delimiting the cathode chamber.
  • a raised grating may protrude from the bottom of the cathode recess. It can be formed by the intersection of first and second sets of parallel grooves, the grooves of the first set being preferably perpendicular to the grooves of the second set.
  • the photoelectrochemical module may include a cathodic purge conduit, to evacuate the dihydrogen out of the electrochemical module, which opens upstream into the cathodic chamber and downstream out of the electrochemical module through a cathodic purge opening.
  • the cathode purge opening can be formed on one face of the anode block, preferably on the face opposite the electrolysis cell.
  • the cathodic purge pipe can pass right through the electrolysis cell as well as the anode block.
  • the cathodic purge opening may be formed on the side wall of the electrochemical module.
  • the cathodic purge pipe can be at a distance from the electrolytic membrane and/or from the anode casing.
  • the cathodic purge opening, the anode purge opening and the water inlet opening open onto the same face of the electrochemical module, which may be a face of the anode block, for example opposite the photovoltaic module. , or be a side face of the electrochemical module.
  • all of the connection means for introducing the water and extracting the products of the hydrolysis reaction can be arranged on the same side of the photoelectrochemical converter.
  • the anode block and/or the cathode block can be obtained by molding and/or machining a mass, in particular according to the second variant.
  • the anode block and/or the cathode block are obtained by an additive manufacturing technique.
  • the additive manufacturing of the anode block and/or the cathode block makes it possible to simplify the assembly of the electrochemical module and further reduces complex assemblies by means of various fittings and seals, which limits the risk of water leaking out of the electrochemical module.
  • additive manufacturing facilitates the conduction of electric current and/or the transfer of heat in the cathode block, by limiting the points of high electrical resistivity and/or thermal resistivity induced by such assemblies. Furthermore, it makes it possible to make the device compact, by grouping together different functions.
  • the additive manufacturing technique can be chosen from:
  • DMD direct metal deposition
  • the electrolysis cell and the cathode block are housed, in particular entirely, in the anode block.
  • the electrolysis cell comprises an anodic catalytic layer, a cathodic catalytic layer and an electrolytic membrane sandwiched between the anode layer and the cathode layer.
  • the anodic catalytic layer and the cathodic catalytic layer are in contact with the electrolytic membrane.
  • the electrolysis cell may include an anodic gas diffusion layer and a cathodic gas diffusion layer which sandwich the anodic catalytic layer and the cathodic catalytic layer.
  • the anodic gas diffusion layer is in contact with the anodic catalytic layer and the cathodic gas diffusion layer is in contact with the cathodic catalytic layer.
  • the thickness of the electrolysis cell can be between 0.01 mm and 0.5 mm.
  • the photovoltaic module is configured to convert light radiation into electric current.
  • the photovoltaic module is preferably fixed, in particular glued by means of an electrically conductive paste, to the cathode block.
  • FIG. 1 is a perspective and exploded view of an example of a converter according to the invention
  • FIG. 2 is another perspective view along a different axis of view of the electrochemical module of the converter shown in Figure 1,
  • FIG. 3 is the view of Figure 1 on which are shown the section planes and view axis of Figures 4 and 5,
  • FIG. 4 is a view along the direction Di, in section along the plane (A) and in exploded view of the converter shown in Figure 1
  • FIG. 5 a) to d) are views in the direction D2, in section respectively along the planes (B), (C), (D), (E) and in perspective of the electrochemical module of the converter illustrated in FIG. 1, and e) an enlargement of Figure 5d),
  • FIG. 9 are views of different examples of anode block
  • FIG. 10 is a view of another example of a photoelectric converter
  • FIG. 11] and [Fig. 12] are perspective views from two viewpoints of another example of a photoelectric converter.
  • the converter 5 comprises an electrochemical module 10 a photovoltaic module 15 mounted on the electrochemical module.
  • the electrochemical module 10 and the photovoltaic module 15 have substantially parallelepedic general shapes.
  • the electrochemical module comprises an anode block 20, a cathode block 25 and an electrolysis cell 30 arranged between the anode block 20 and the cathode block 25.
  • the photovoltaic module 15 is electrically connected to the electrolysis cell 30.
  • the photovoltaic module 15 when the photovoltaic module 15 is illuminated by light radiation L, in particular solar radiation, reaching its face 35 opposite the electrochemical module, it electrically supplies the electrolysis cell 30, allowing the generation of dihydrogen by electrolysis of water.
  • the cathode block 25 is metallic. It is in contact by its face 135 with the photovoltaic module 15. It is fixed, for example glued with an electrically conductive paste on the photovoltaic module. It is also in contact with the electrolysis cell 30. In this way, the electric current can be conducted from the photovoltaic module 15 to the electrolysis cell 30 through the cathode block which is electrically conductive.
  • the cathode block 25 may include, or even consist of, an electrically insulating cathode body 255 .
  • the cathode body 255 may have an electrical connection hole 260 which crosses it right through in its thickness, which extends between the face 135 and the face 265 which is opposite it.
  • An electrical connection member 270 connecting the photovoltaic module 15 to the electrolysis cell 30 is disposed in the electrical connection hole 260.
  • Figures 11 and 12 illustrate such an embodiment of this variant.
  • the cathode block 25 comprises an electrically insulating cathode body 255 and an anode flow plate 275 of metal.
  • the cathode body 255 has a recess 280 and comprises four electrical connection holes 260, each opening on the one hand into the bottom of the recess on the face 260 and on the other hand on the face 135 in contact with the photovoltaic module 30.
  • the metal anode flow plate 275 is housed in the niche 280 and is surmounted by four electrical connection members 270 which are engaged in the electrical connection holes 260 in order to electrically connect the photovoltaic module 15 to the anode flow plate 275 , which is in contact with the electrolysis cell 30.
  • the electrolysis cell comprises an electrolytic membrane 40, which is covered on each of its opposite faces by an anode catalytic layer and a cathode catalytic layer, which are themselves sandwiched by an anode gas diffusion layer. 45 and a cathodic gas diffusion layer 50.
  • the anode block 20 and the cathode block 25 have an anode recess 55 and a cathode recess 60 which each face the electrolysis cell and define an anode chamber 65 and a cathode chamber 70 respectively.
  • the cathode recess is bounded by the electrolysis cell and by the walls of grooves 285 formed in the cathode flow plate 275.
  • the water introduced into the anode chamber is oxidized on contact with the catalytic anode layer into hydrogen ions and oxygen.
  • the surface of the catalytic anode layer useful for the water reduction reaction can be between 35*35 mm 2 and 18*18 mm 2 .
  • the hydrogen ions thus formed pass through the electrolyte membrane to the catalytic cathode layer where they are oxidized, which results in the generation of hydrogen gas in the cathode chamber.
  • the anode block has a bottom wall 75 and a side wall 80 which extends from the bottom wall and which defines a cavity 85 in which the electrolysis cell 30 and the cathode block are fully housed.
  • the side wall entirely surrounds the side faces 90 of the electrolysis cell and 95 of the cathode block.
  • the electrochemical module 10 comprises a water distribution circuit, which is provided in its mass.
  • the electrochemical module comprises, on the face of the anode block opposite the photovoltaic module, a water inlet opening 100 to supply the electrochemical module with water through the water distribution circuit.
  • the water distribution circuit extends upstream from the water inlet opening 100 to the anode chamber 65 downstream.
  • the water distribution circuit comprises, from upstream to downstream, an introduction conduit 105, a heat exchange portion 110 which is formed in the mass of the cathode block and an anode distribution conduit 115.
  • the introduction duct extends along the thickness of the electrochemical module between the water inlet opening 100 and the heat exchange portion 110. It has the shape of a circular section hole which passes through the wall bottom 75 of the anode block and the electrolysis cell, right through their respective thicknesses, and is extended into the cathode block 25 where it opens into the heat exchange portion 110.
  • the heat exchange portion comprises in succession and from upstream to downstream, a distribution chamber 120, heat exchange ducts 125 arranged fluidically in parallel and a collection chamber 130.
  • the heat exchange ducts 125 are straight and extend parallel to each other. They may have a cross-section of various shapes, for example circular, elliptical, or even square as illustrated.
  • the diameter of the channels, measured on the transverse section of a channel, can be between 1 mm and 10 mm.
  • the heat exchange portion may include between 1 and 5 heat exchange ducts per centimeter, measured along an axis perpendicular to the direction of extension of said ducts and in the plane which contains said ducts.
  • the heat exchange portion may comprise a single heat exchange conduit which, for example, has the shape of a coil extending in a median plane of the cathode block between the distribution chamber and the collection chamber.
  • the heat exchange ducts extend parallel to face 135 of the cathode block in contact with the photovoltaic module.
  • the distance d between the heat exchange portion and the photovoltaic module is preferably between 0.5 mm and 5 mm, so as to effectively cool the photovoltaic module without risk of leakage.
  • the anode distribution duct 115 extends from the collection chamber 130, upstream thereof, to the anode chamber 65 downstream thereof. It comprises a portion 140 which extends through the thickness of the electrochemical module, and passes through the mass of the cathode block and the electrolysis cell right through in its thickness. This portion 140 is extended by another portion 145, formed in the mass of the anode block, which opens downstream into the anode chamber 65.
  • the portion 145 formed in the mass of the anode block extends substantially parallel to the outer face 150 of the bottom wall 75 of the anode block, which is opposite the electrolysis cell. It is delimited by a wall 155 which protrudes from said outer face.
  • the water which is introduced into the distribution circuit by the water inlet opening circulates through the introduction pipe passing through the anode block, the electrolysis cell and the cathode block, as indicated by the arrows E. It is then distributed in the various heat exchange ducts, where it is heated by the heat given off by the photovoltaic module.
  • the increase in water temperature, after passing through the heat exchange portion is approximately 6° C., for a photovoltaic module having a light collection area of approximately 45 cm 2 .
  • the water thus heated is then transferred from the heat exchange portion to the anode chamber through the anode distribution conduit. The heat that it transports thus makes it possible to accelerate the kinetics of electrolysis.
  • the anode block comprises an anode purge conduit 160 which makes it possible to evacuate the excess water present in the anode chamber as well as the oxygen formed by the hydrolysis reaction of the water.
  • the anode purge circuit puts the anode chamber in fluid communication with the external environment of the electrochemical module through an anode purge opening 165 arranged on the exterior face 150.
  • the electrochemical module further comprises a cathode purge circuit 170 to evacuate the dihydrogen gas formed at the cathode by drafting hydrolysis of the water.
  • the cathode purge circuit connects the cathode chamber 70 to a cathode purge opening 175 formed on the exterior face 150.
  • the anode block 20 illustrated in Figure 1 comprises a housing 180, also shown in Figure 7 and an anode flow plate 185 housed in the housing.
  • the anode flow plate thus defines the bottom face of the recess of the anode block.
  • the anode recess is formed on the face of the anode flow plate facing the electrolysis cell.
  • the anode block is monolithic.
  • the casing and the anode flow plate come together in material, and the recess is formed on the face of the anode block facing the electrolysis cell.
  • Reliefs 190 protrude from the recess and are in contact with the electrolytic cell. They define channels 195 to distribute the water evenly within the anode chamber so as to maximize the surface area of the electrolysis cell covered with water. As illustrated in Figure 7, the reliefs can be distributed angularly around the introduction orifice and the purge orifice through which the fluids are introduced extracted from the anode chamber. According to a variant illustrated in FIG. 8, the reliefs can define a channel in the form of a serpentine between the introduction orifice and the purge orifice.
  • the cathode block As for the cathode block, it comprises a network in relief 198 protruding from the bottom of the cathode recess, which is formed by the intersection of first and second sets of parallel grooves, the grooves of the first set being preferably parallel to the grooves of the second set.
  • the relief network 198 is in contact with the electrolytic cell. It allows efficient diffusion of dihydrogen and rigidly holds the electrolysis cell against the cathode block and promotes good distribution of the electric current on the surface of the cathode.
  • FIG. 9 also shows a variant embodiment of the anode block in which the anode distribution duct comprises a portion opening upstream into the heat exchange portion and downstream via a first opening 200 on the outer face 150 and a second formed portion which opens downstream into the anode chamber and upstream through a second opening 205 on the outer face.
  • a connector tubular is mounted by its opposite ends on the first and second openings.
  • the anode and cathode purge openings and the water inlet opening protrude from the outer face 250 of the anode block by being carried by hollow tubular portions.
  • the electrochemical module has a parallelepipedal shape and an outer face of which said openings are flush.
  • the invention makes it possible to simplify the design of the photoelectrochemical converter and to accelerate the kinetics of water electrolysis.

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Abstract

Convertisseur photoélectrochimique (5) comportant un module photovoltaïque (15) et un module électrochimique (10) comportant un bloc anodique (20), un bloc cathodique (25) et une cellule d'électrolyse (30), prise en sandwich entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et qui est alimentée électriquement par le module photovoltaïque pour électrolyser de l'eau afin de générer du dihydrogène, la cellule d'électrolyse délimitant avec le bloc cathodique une chambre cathodique (70) et avec le bloc anodique une chambre anodique (65) pour la circulation de fluide au contact de la cellule d'électrolyse, le module électrochimique comportant un circuit de distribution d'eau débouchant à son aval dans la chambre anodique et comportant une portion d'échange thermique (110), pour échanger de la chaleur avec le module photovoltaïque (15), qui est disposée entre la chambre cathodique et le module photovoltaïque.

Description

Description
Titre : Convertisseur photoélectrochimique pour la production de dihydrogène.
La présente invention concerne un convertisseur photoélectrochimique pour la génération de dihydrogène.
Il est connu, par exemple de « A modular device for large area integrated photoecltrochemical water-splitting as a versatile tool to evaluate photoabsorbers and catalyst », J.-P. Becker et al., J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 4818-4826, doi : 10.1039/C6TA10688A, un convertisseur photo-électrochimique comportant un module photovoltaïque convertissant un rayonnement lumineux en un courant électrique qui alimente électriquement une cellule d’électrolyse comportant une anode et une cathode qui prennent en sandwich une membrane électrolytique échangeuse d’ions. De l’eau est distribuée sur l’anode où elle est oxydée selon la réaction :
2H2O 4H+ + 4e’ + O2
Les ions H+ traversent la membrane électrolytique et atteignent la cathode où ils sont réduits selon l’équation
2H+ + 2e' — > H2
Ainsi, un dégagement gazeux de dihydrogène est produit au niveau de la cathode qui peut ensuite être stocké en vue d’une utilisation ultérieure comme combustible pour générer de l’énergie électrique au sein d’une pile à combustible.
Le dispositif de Becker et al. comporte en outre un réseau de refroidissement en eau du module photovoltaïque pour éviter un échauffement excessif de ce module sous l’effet du rayonnement solaire.
Il existe un besoin continu pour un nouveau convertisseur photoélectrochimique, qui soit notamment de fabrication aisée.
L’invention propose un convertisseur photoélectrochimique comportant un module photovoltaïque et un module électrochimique comportant un bloc anodique, un bloc cathodique et une cellule d’électrolyse, prise en sandwich entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et qui est alimentée électriquement par le module photovoltaïque pour électrolyser de l’eau afin de générer du dihydrogène, la cellule d’électrolyse délimitant avec le bloc cathodique une chambre cathodique et avec le bloc anodique une chambre anodique pour la circulation de fluide au contact de la cellule d’électrolyse, le module électrochimique comportant un circuit de distribution d’eau débouchant à son aval dans la chambre anodique et comportant une portion d’échange thermique, pour échanger de la chaleur avec le module photovoltaïque, qui est disposée entre la chambre cathodique et le module photo voltaïque.
Grâce à l’invention, l’eau qui circule dans le circuit de distribution d’eau présente d’une part la fonction de liquide caloporteur, en échangeant de la chaleur le module photo voltaïque, et d’autre part de réactif pour l’électrolyse de l’eau. Comme cela apparaîtra plus en détail par la suite, le convertisseur photoélectrochimique selon l’invention est de fabrication aisée puisqu’il peut comporter un unique circuit de distribution d’eau pour à la fois l’échange thermique et l’alimentation en eau de la cellule d’électrolyse. En outre, l’échange thermique entre l’eau et le module photovoltaïque résultant de préférence en un refroidissement du module photovoltaïque et en un échauffement de l’eau, la cinétique de la réaction d’électrolyse est accélérée.
De préférence, le bloc anodique et le bloc cathodique recouvrent ensemble intégralement la cellule d’électrolyse. De préférence, le bloc anodique et le bloc cathodique forment une enceinte hermétique dans laquelle la cellule d’électrolyse est logée, à l’exception des ouvertures ménagées pour introduire et extraire l’eau et pour extraire le dioxygène et le dihydrogène résultant de l’électrolyse de l’eau.
De préférence, le bloc cathodique est disposé entre le module photovoltaïque et le bloc anodique.
De préférence, le module photovoltaïque recouvre, de préférence entièrement, le module électrochimique.
De préférence, le circuit de distribution d’eau est ménagé au moins partiellement, voire intégralement, dans la masse du module électrochimique. On limite ainsi les risques de fuite d’eau au sein du module électrochimique.
Dans une variante, une portion du circuit de distribution d’eau peut être disposée entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et être distante de la cellule d’électrolyse. Par exemple, ladite portion de distribution peut être un raccord tubulaire fixé par chacune de ses extrémités à des ouvertures ménagées dans le bloc cathodique et dans le bloc anodique respectivement, notamment dans une variante où la cellule photovoltaïque est non superposée avec la cellule électrolytique. De préférence, la portion d’échange thermique est ménagée dans la masse du bloc cathodique.
La portion d’échange thermique peut être une chambre, par exemple de forme parallélépipédique. De préférence, la portion d’échange thermique comporte au moins un, de préférence plusieurs conduits d’échange thermique, afin d’augmenter la surface d’échange thermique avec le module photo voltaïque.
Le ou les conduits d’échange thermique peuvent présenter un diamètre compris entre 1 mm et 10 mm, afin de favoriser la turbulence de l’écoulement et l’échange thermique.
Le ou les conduits d’échange thermique peuvent être rectilignes, curvilignes ou méandrif ormes.
Les conduits d’échange thermique peuvent s’étendre parallèlement les uns aux autres.
Les conduits d’échange thermique peuvent s’étendre parallèlement à la face du module photo voltaïque en regard du module électrochimique.
De préférence, la portion d’échange thermique, de préférence le ou les conduits d’échange thermique, est distante de moins de 5 mm du module photo voltaïque.
Afin de distribuer en parallèle l’eau dans les différents conduits d’échange thermique, la portion d’échange thermique comporte de préférence une chambre de distribution et une chambre de collecte, chaque conduit d’échange thermique débouchant à son amont dans la chambre de distribution et à son aval dans la chambre de collecte. De préférence, la chambre de distribution et la chambre de collecte sont ménagées dans la masse du bloc cathodique.
De préférence, le circuit de distribution comporte un conduit d’introduction débouchant à son amont par une ouverture d’entrée d’eau ménagée dans le bloc anodique et à son aval dans la portion d’échange thermique, de préférence par une ouverture ménagée dans la chambre de distribution.
L’ouverture d’entrée d’eau peut déboucher sur la face du bloc anodique opposée au module photovoltaïque et/ou au bloc cathodique. Le module électrochimique peut présenter un fond, de préférence opposé au module photovoltaïque, et une face latérale qui s’étend à partir du fond, de préférence jusqu’au module photo voltaïque. Dans une variante, l’ouverture d’entrée d’eau peut déboucher sur la face latérale du module électrochimique. La face latérale du module électrochimique peut être une face du bloc anodique. Le conduit d’introduction peut être délimité en partie par une portion tubulaire débouchant par l’ouverture d’entrée d’eau et qui fait saillie de la face du bloc anodique opposée au module photo voltaïque.
De préférence, le conduit d’introduction traverse le bloc anodique et la cellule d’électrolyse de part en part selon leurs épaisseurs respectives.
Le conduit d’introduction est de préférence délimité, au moins en partie, par les parois de trous traversants coaxiaux ménagés dans les épaisseurs respectives du bloc cathodique et de la cellule d’électrolyse.
Le circuit de distribution comporte de préférence un conduit de distribution anodique qui débouche à son amont dans la portion d’échange thermique, de préférence dans la chambre de collecte, et à son aval dans le compartiment anodique.
Le conduit de distribution anodique peut comporter, en succession et de son amont vers son aval, une portion ménagée dans la masse du bloc cathodique, une portion ménagée dans la cellule d’électrolyse qui traverse la cellule d’électrolyse de part en part dans son épaisseur, et une portion ménagée dans la masse du bloc anodique.
Selon une première variante préférée, la portion ménagée dans la masse du bloc anodique débouche à son aval dans la chambre anodique. Notamment, la portion ménagée dans la masse du bloc anodique peut être délimitée par une paroi faisant saillie de la face du bloc anodique opposée à la cellule d’électrolyse.
Selon une deuxième variante, le conduit de distribution peut comporter :
- une première portion ménagée dans la masse du module électrochimique, débouchant à son amont dans la portion d’échange thermique et à son aval par une première ouverture sur la face du bloc anodique opposée à la cellule d’électrolyse, et
- une deuxième portion ménagée dans la masse du module électrochimique, débouchant à son aval dans la chambre anodique et à son amont par une deuxième ouverture sur ladite face du bloc anodique, les première et deuxième portions étant en communication de fluide par un raccord, de préférence tubulaire, dont les extrémités opposées sont fixées respectivement aux première et deuxième ouvertures.
Par ailleurs, le bloc anodique peut comporter un conduit de purge anodique, pour l’évacuation de l’eau et du dioxygène formé par réaction anodique, qui débouche à son amont dans la chambre anodique et à son aval par une ouverture de purge anodique formée sur une face du bloc anodique, de préférence sur la face opposée à la cellule d’électrolyse. Le bloc anodique peut comporter un évidement anodique ménagé sur la face en regard de la cellule d’électrolyse, et distant de la cellule d’électrolyse, de façon à former, avec la cellule d’électrolyse, la chambre anodique pour la mise en contact de l’eau avec la cellule d’électrolyse.
Le bloc anodique peut comporter sur la face en regard de la cellule d’électrolyse, un ou plusieurs reliefs qui font saillie de l’évidement anodique et qui forment au moins un canal pour distribuer l’eau dans la chambre anodique de manière homogène sur la cellule d’électrolyse.
Le bloc anodique comporte de préférence une paroi de fond et une paroi latérale s’étendant à partir de la paroi de fond et qui délimite une cavité dans laquelle la cellule d’électrolyse et, de préférence, le bloc cathodique sont logés. L’évidement anodique est de préférence formé dans la face de la paroi de fond du bloc anodique qui délimite la cavité.
Le bloc anodique peut comporter un boitier et une plaque d’écoulement anodique logée dans le boitier et au contact de la cellule d’électrolyse, et qui portent lesdits reliefs. La plaque d’écoulement est de préférence au contact du boitier.
Le bloc anodique peut être en un matériau céramique, thermoplastique ou métallique. Selon la variante où le bloc anodique est en un matériau métallique, le module électrochimique comporte un organe d’isolation électrique disposé entre le bloc anodique et le bloc cathodique.
Le convertisseur photoélectrochimique pouvant être soumis aux aléas climatiques en extérieur, le bloc anodique est de préférence en matériau inoxydable et/ou résistant aux ultraviolet. Par exemple, il peut être en polyamide, notamment en PAU et/ou en PA12, ou en un alliage d’aluminium, ou en acier inoxydable.
Le bloc anodique peut présenter une forme générale parallélépipédique. La longueur et/ou la largeur du bloc anodique peuvent être supérieures à 5 cm, par exemple de 20 cm, voire de 60 cm. La longueur et la larguer du bloc anodique peuvent être égales. L’épaisseur du bloc anodique peut être comprise entre 1 cm et 50 cm.
Le bloc cathodique peut être en un matériau céramique, thermoplastique ou métallique. De préférence, le bloc cathodique est en un matériau électriquement conducteur, de préférence métallique. Ainsi, le bloc cathodique peut relier électriquement le module photovoltaïque à la cellule d’électrolyse. En outre, un bloc cathodique métallique favorise l’échange thermique avec le module photo voltaïque. En particulier, le bloc cathodique peut être choisi parmi un alliage d’aluminium, un acier, notamment inoxydable et un alliage de nickel. En variante, le bloc cathodique peut comporter, voire consister en, un corps cathodique fait d’un matériau électriquement isolant, de préférence céramique ou thermoplastique, le convertisseur électrochimique comportant un organe de connexion électrique reliant électriquement le module photovoltaïque à la cellule d’électrolyse, l’organe de connexion électrique comportant une portion traversant le corps cathodique de part en part. L’organe de connexion électrique est par exemple un câble métallique qui traverse le corps cathodique de part en part par un trou de connexion électrique ménagé dans l’épaisseur du corps cathodique. En variante, les parois du trou de connexion électrique peuvent être recouvertes d’une couche électriquement conductrice qui forme ainsi ladite portion de l’organe de connexion électrique. Le bloc cathodique peut comporter une plaque d’écoulement cathodique en un matériau électriquement conducteur, de préférence métallique, qui délimite la chambre cathodique avec la cellule d’électrolyse. La plaque d’écoulement cathodique peut être logée dans une niche formée dans le corps cathodique. Elle est de préférence reliée électriquement au module photovoltaïque par l’organe de connexion électrique et est au contact de la cellule d’électrolyse. L’organe de connexion électrique peut venir de matière avec la plaque d’écoulement cathodique.
Le bloc cathodique peut comporter au moins un évidement cathodique formé dans la partie de sa face en regard de la cellule d’électrolyse, les faces de l’évidement cathodique et la cellule d’électrolyse délimitant la chambre cathodique.
Un réseau en relief peut faire saillie du fond de l’évidement cathodique. Il peut être formé par l’intersection de premier et deuxième ensembles de rainures parallèles, les rainures du premier ensemble étant de préférence perpendiculaires aux rainures du deuxième ensemble.
Par ailleurs, le module photoélectrochimique peut comporter un conduit de purge cathodique, pour évacuer le dihydrogène hors du module électrochimique, qui débouche à son amont dans la chambre cathodique et à son aval hors du module électrochimique par une ouverture de purge cathodique. L’ouverture de purge cathodique peut être formée sur une face du bloc anodique, de préférence sur la face opposée à la cellule d’électrolyse. Le conduit de purge cathodique peut traverser de part en part la cellule d’électrolyse ainsi que le bloc anodique. En variante, l’ouverture de purge cathodique peut être formée sur la paroi latérale du module électrochimique. Notamment, le conduit de purge cathodique peut être à distance de la membrane électrolytique et/ou du boitier anodique.
De préférence, l’ouverture de purge cathodique, l’ouverture de purge anodique et l’ouverture d’entrée d’eau débouchent sur une même face du module électrochimique, qui peut être une face du bloc anodique, par exemple opposée au module photovoltaïque, ou être une face latérale du module électrochimique. Avantageusement, l'ensemble des moyens de connexion pour introduire l'eau et extraire les produits de la réaction d'hydrolyse peuvent être disposés d'un même côté du convertisseur photoélectrochimique.
Le bloc anodique et/ou le bloc cathodique peuvent être obtenus par moulage et/ou usinage d’une masse, notamment selon la deuxième variante.
De préférence, et en particulier selon la première variante, le bloc anodique et/ou le bloc cathodique sont obtenus par une technique de fabrication additive. Avantageusement, outre le fait que le bloc anodique et/ou le bloc cathodique peuvent présenter des formes complexes qui sont difficiles, voire impossibles, à obtenir par moulage, la fabrication additive du bloc anodique et/ou du bloc cathodique permet de simplifier le montage du module électrochimique et en outre permet de réduire les assemblages complexes au moyen de divers raccords et joints d’étanchéité, ce qui limite les risques de fuite de l’eau hors du module électrochimique. En outre, la fabrication additive facilite la conduction du courant électrique et/ou le transfert de chaleur dans le bloc cathodique, en limitant les points de haute résistivité électrique et/ou de résistivité thermique induits par de tels assemblages. Par ailleurs, elle permet de rendre le dispositif compact, en regroupant différentes fonctions.
La technique de fabrication additive peut être choisie parmi :
- une technique de « dépôt direct de métal » connue sous l’acronyme « DMD »,
- une technique de « dépôt arc-fil » connue sous l’abréviation « WAAM », acronyme anglais de « Wire and Arc Additive Manufacturing »,
- une technique d’impression 3D, notamment choisie parmi l’impression par projection de liant sur lit de poudre connue sous le nom anglais de « Binder Jetting », la fusion laser sur lit de poudres dénommée « L-PBF », acronyme anglais de « Laser Powder Bed Fusion » , la fusion par faisceau d’électrons dénommée « EBM », acronyme anglais de « Electron Beam Melting », la projection de liant sur lit de poudre « MJF », acronyme anglais de « Multi Jet Fusion » et le dépôt de fils fondus « FDM », acronyme anglais de « Fused Deposition Modeling », - une technique lithographique, notamment choisie parmi la fabrication de céramique à base de lithographie « LCM », acronyme anglais de « Lithography-based Ceramic Manufacturing » et la fabrication de métal à base de lithographie « LMM », acronyme anglais de « Lithography-based metal Manufacturing ».
De préférence, la cellule d’électrolyse et le bloc cathodique sont logés, en particulier entièrement, dans le bloc anodique.
De préférence la cellule d’électrolyse comporte une couche catalytique anodique, une couche catalytique cathodique et une membrane électrolytique prise en sandwich entre la couche d’anode et la couche de cathode.
De préférence, la couche catalytique anodique et la couche catalytique cathodique sont en contact de la membrane électrolytique.
La cellule d’électrolyse peut comporter une couche de diffusion de gaz anodique et une couche de diffusion de gaz cathodique qui prennent en sandwich la couche catalytique anodique et la couche catalytique cathodique. De préférence, la couche de diffusion de gaz anodique est au contact de la couche catalytique anodique et la couche de diffusion de gaz cathodique est au contact de la couche catalytique cathodique.
L’épaisseur de la cellule d’électrolyse peut être comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.
Le module photovoltaïque est configuré pour convertir un rayonnement lumineux en courant électrique. Le module photovoltaïque est de préférence fixé, notamment collé au moyen d’une pâte électriquement conductrice, sur le bloc cathodique.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et du dessin dans lequel :
[Fig. 1] est une vue en perspective et éclatée d’un exemple de convertisseur selon l’invention,
[Fig. 2] est une autre vue en perspective selon un axe de vue différent du module électrochimique du convertisseur illustré sur la figure 1,
[Fig. 3] est la vue de la figure 1 sur laquelle sont représentés les plans de coupe et axe de vues des figures 4 et 5,
[Fig. 4] est une vue selon la direction Di, en coupe selon le plan (A) et en éclaté du convertisseur illustré sur la figure 1, [Fig. 5] a) à d) sont des vues selon la direction D2, en coupe respectivement selon les plans (B), (C), (D), (E) et en perspective du module électrochimique du convertisseur illustré sur la figure 1, et e) un agrandissement de la figure 5d),
[Fig. 6],
[Fig. 7],
[Fig. 8], et
[Fig. 9] sont des vues de différents exemples de bloc anodique,
[Fig. 10] est une vue d’un autre exemple de convertisseur photoélectrique, et
[Fig. 11] et [Fig. 12] sont des vues en perspective selon deux points de vue d’un autre exemple de convertisseur photoélectrique.
On a illustré sur les figures 1 à 5 un exemple de convertisseur photoélectrochimique 5 selon l’invention. Le convertisseur 5 comprend un module électrochimique 10 un module photovoltaïque 15 monté sur le module électrochimique.
Le module électrochimique 10 et le module photovoltaïque 15 présentent des formes générales sensiblement parallélépèdiques.
Le module électrochimique comporte un bloc anodique 20, un bloc cathodique 25 et une cellule d’électrolyse 30 disposée entre le bloc anodique 20 et le bloc cathodique 25.
Le module photovoltaïque 15 est relié électriquement à la cellule d’électrolyse 30. Ainsi, lorsque le module photovoltaïque 15 est illuminé par un rayonnement lumineux L, notamment solaire, atteignant sa face 35 opposée au modulé électrochimique, il alimente électriquement la cellule d’électrolyse 30, permettant la génération de dihydrogène par électrolyse de l’eau. Dans l'exemple illustré, le bloc cathodique 25 est métallique. Il est en contact par sa face 135 avec le module photovoltaïque 15. Il est fixé, par exemple collé avec une pâte électriquement conductrice sur le module photo voltaïque. Il est en outre en contact avec la cellule d’électrolyse 30. De cette façon, le courant électrique peut être conduit du module photovoltaïque 15 vers la cellule d’électrolyse 30 à travers le bloc cathodique qui est électriquement conducteur. En variante, le bloc cathodique 25 peut comporter, voire consister, en un corps cathodique 255 électriquement isolant. Le corps cathodique 255 peut présenter un trou de connexion électrique 260 qui le traverse de part en part dans son épaisseur, qui s’étend entre la face 135 et la face 265 qui lui est opposée. Un organe de connexion électrique 270 reliant le module photovoltaïque 15 à la cellule d’électrolyse 30 est disposé dans le trou de connexion électrique 260. Les figures 11 et 12 illustrent un tel exemple de réalisation de cette variante. Comme représenté, le bloc cathodique 25 comporte un corps cathodique 255 électriquement isolant et une plaque d’écoulement anodique 275 métallique. Le corps cathodique 255 présente une niche 280 et comporte quatre trous de connexion électrique 260, chacun débouchant d’une part dans le fond de la niche sur la face 260 et d’autre part sur la face 135 en contact avec le module photovoltaïque 30. La plaque d’écoulement anodique 275 métallique est logée dans la niche 280 et est surmontée de quatre organes de connexion électrique 270 qui sont engagés dans les trous de connexion électrique 260 afin de relier électriquement le module photovoltaïque 15 à la plaque d’écoulement anodique 275, qui est en contact avec la cellule d’électrolyse 30.
La cellule d’électrolyse comporte une membrane électrolytique 40, qui est recouverte sur chacune de ses faces opposées par une couche catalytique d’anode et une couche catalytique de cathode, qui sont elles-mêmes prises en sandwich par une couche de diffusion de gaz anodique 45 et une couche de diffusion de gaz cathodique 50.
Le bloc anodique 20 et le bloc cathodique 25 présentent un évidement anodique 55 et un évidement cathodique 60 qui font chacun face à la cellule d’électrolyse et définissent une chambre anodique 65 et une chambre cathodique 70 respectivement. Dans l’exemple illustré sur les figures 11 et 12, l’évidement cathodique est délimité par la cellule d’électrolyse et par les parois de rainures 285 formées dans la plaque d’écoulement cathodique 275.
Comme cela apparaîtra par la suite, l'eau introduite dans la chambre anodique est oxydée au contact de la couche catalytique d’anode en ions hydrogène et en dioxygène. En particulier, la surface de la couche catalytique d’anode utile à la réaction de réduction de l'eau peut être comprise entre 35*35 mm2 et 18*18 mm2.
Les ions hydrogène ainsi formés transitent à travers la membrane électrolytique jusqu'à la couche catalytique de cathode où ils sont oxydés, ce qui résulte dans la génération de dihydrogène gazeux dans la chambre cathodique.
Le bloc anodique présente une paroi de fond 75 et une paroi latérale 80 qui s’étend à partir de la paroi de fond et qui définit une cavité 85 dans laquelle la cellule d’électrolyse 30 et le bloc cathodique sont entièrement logés. Autrement dit, la paroi latérale ceinture entièrement les faces latérales 90 de la cellule d’électrolyse et 95 du bloc cathodique. Par ailleurs, le module électrochimique 10 comporte un circuit de distribution d'eau, qui est ménagé dans sa masse.
Le module électrochimique comporte, sur la face du bloc anodique opposé au module photovoltaïque, une ouverture d'entrée d’eau 100 pour alimenter le module électrochimique en eau à travers le circuit de distribution d'eau.
Le circuit de distribution d'eau s'étend à son amont depuis l'ouverture d'entrée d'eau 100 jusqu'à la chambre anodique 65 à son aval.
Le circuit de distribution d'eau comporte, d’amont en aval, un conduit d'introduction 105, une portion d'échange thermique 110 qui est formé dans la masse du bloc cathodique et un conduit de distribution anodique 115.
Le conduit d’introduction s'étend selon l'épaisseur du module électrochimique entre l'ouverture d'entrée d'eau 100 et la portion d’échange thermique 110. Il présente une forme d'un trou de section circulaire qui traverse la paroi de fond 75 du bloc anodique et la cellule d'électrolyse, de part en part de leurs épaisseurs respectives, et est prolongé dans le bloc cathodique 25 où il débouche dans la portion d’échange thermique 110.
La portion d’échange thermique comporte en succession et d’amont vers l’aval, une chambre de distribution 120, des conduits d'échange thermique 125 disposés fluidiquement en parallèle et une chambre de collecte 130.
La chambre de distribution 120 et la chambre de collecte 130 s’étendent chacune selon la hauteur et la largeur du bloc cathodique et forment ainsi des réservoirs pour alimenter en eau chacun des conduits d'échange thermique collecter l’eau en sortant respectivement.
Les conduits d'échange thermique 125 sont rectilignes et s'étendent parallèlement les uns aux autres. Ils peuvent présenter, une section transverse de forme variée, par exemple circulaire, elliptique, voire carrée comme illustré. Le diamètre des canaux, mesuré sur la section transverse d'un canal, peut être compris entre 1 mm et 10 mm. La portion d'échange thermique peut comporter entre 1 et 5 conduits d’échange thermique par centimètre, mesuré selon un axe perpendiculaire à direction d’extension desdits conduits et dans le plan qui contient lesdits conduits.
Dans une variante non représentée, la portion d'échange thermique peut comporter un unique conduit d’échange thermique qui présente par exemple une forme de serpentin s'étendant dans un plan médian du bloc cathodique entre la chambre de distribution et la chambre de collecte.
Les conduits d'échange thermique s'étendent parallèlement à la face 135 du bloc cathodique au contact du module photo voltaïque. La distance d entre la portion d'échange thermique et le module photovoltaïque est de préférence comprise entre 0,5 mm et 5 mm, de manière à refroidir efficacement le module photovoltaïque sans risque de fuite.
Par ailleurs, le conduit de distribution anodique 115 s'étend depuis la chambre de collecte 130, à son amont, jusqu'à la chambre anodique 65 à son aval. Il comporte une portion 140 qui s'étend à travers l'épaisseur du module électrochimique, et traverse la masse du bloc cathodique et la cellule d'électrolyse de part en part dans son épaisseur. Cette portion 140 est prolongée par une autre portion 145, formée dans la masse du bloc anodique, qui débouche à son aval dans la chambre anodique 65. La portion 145 formée dans la masse du bloc anodique s’étend sensiblement parallèlement à la face extérieure 150 de la paroi de fond 75 du bloc anodique, qui est opposée à la cellule d’électrolyse. Elle est délimitée par une paroi 155 qui fait saillie de ladite face extérieure.
Ainsi, l'eau qui est introduite dans le circuit de distribution par l'ouverture d'entrée d'eau circule à travers le conduit d'introduction en traversant le bloc anodique, la cellule d'électrolyse et le bloc cathodique, comme indiqué par les flèches E. Elle est ensuite distribuée dans les différents conduits d'échange thermique, où elle est réchauffée par la chaleur dégagée par le module photo voltaïque. Par exemple, l’augmentation de la température d'eau, après avoir traversé la portion d'échange thermique, est d’environ 6 °C, pour un module photovoltaïque présentant une aire de captation de lumière d’environ 45 cm2. L'eau ainsi réchauffée est ensuite transférée de la portion d'échange thermique jusqu'à la chambre anodique à travers le conduit de distribution anodique. La chaleur qu'elle transporte permet ainsi d'accélérer la cinétique d’électrolyse.
Par ailleurs, le bloc anodique comporte un conduit de purge anodique 160 qui permet d'évacuer l'eau en excès présente dans la chambre anodique ainsi que le dioxygène formé par la réaction d'hydrolyse de l'eau. Le circuit de purge anodique met en communication de fluide la chambre anodique avec l'environnement extérieur du module électrochimique à travers une ouverture de purge anodique 165 disposée sur la face extérieure 150. Le module électrochimique comporte en outre un circuit de purge cathodique 170 pour évacuer le dihydrogène gazeux formé à la cathode par la rédaction d'hydrolyse de l'eau. Le circuit de purge cathodique relie la chambre cathodique 70 à une ouverture de purge cathodique 175 formée sur la face extérieure 150.
Le bloc anodique 20 illustré sur la figure 1 comporte un boitier 180, aussi représenté sur la figure 7 et une plaque d’écoulement anodique 185 logée dans le boitier. La plaque d'écoulement anodique définit ainsi la face de fond de l’évidement du bloc anodique. L’évidement anodique est formé sur la face de plaque d’écoulement anodique en regard de la cellule d'électrolyse.
Dans la variante illustrée sur les figures 7 et 8, le bloc anodique est monolithique. Autrement dit, le boitier et la plaque d'écoulement anodique viennent ensemble de matière, et l'évidement est formé sur la face du bloc anodique en regard de la cellule d'électrolyse.
Des reliefs 190 font saillie de l’évidement ils sont en contact de la cellule d'électrolyse. Us définissent des canaux 195 pour distribuer l'eau de manière homogène au sein de la chambre anodique de manière à maximiser la surface de la cellule d'électrolyse recouverte d'eau. Comme cela est illustré sur la figure 7, les reliefs peuvent être répartis angulairement autour de l'orifice d'introduction et de l’orifice de purge par lesquels les fluides sont introduits extraits de la chambre anodique. Selon une variante illustrée sur la figure 8, les reliefs peuvent définir un canal en forme de serpentin entre l'orifice introduction et l'orifice de purge.
Quant au bloc cathodique, il comporte un réseau en relief 198 faisant saillie du fond de l’évidement cathodique, qui est formé par l’intersection de premier et deuxième ensembles de rainures parallèles, les rainures du premier ensemble étant de préférence parallèles aux rainures du deuxième ensemble. Le réseau en relief 198 est au contact de la cellule d’électrolyse. Il permet une diffusion efficace du dihydrogène et maintient rigidement la cellule d’électrolyse contre le bloc cathodique et favorise une bonne distribution du courant électrique à la surface de la cathode.
La figure 9 présente encore une variation de réalisation du bloc anodique dans laquelle le conduit de distribution anodique comporte une portion débouchant à son amont dans la portion d’échange thermique et à son aval par une première ouverture 200 sur la face extérieure 150 et une deuxième portion ménagée qui débouche à son aval dans la chambre anodique et à son amont par une deuxième ouverture 205 sur la face extérieure. Afin de mettre en relation les première et deuxième portions communication de fluide, un raccord tubulaire, non représenté, est monté par ses extrémités opposées sur les première et deuxième ouvertures.
Dans l’exemple illustré sur la figure 1, les ouvertures de purge anodique et cathodique et l’ouverture d’entrée d’eau font saillie de la face extérieure 250 du bloc anodique en étant portées par des portions tubulaires creuses. Dans la variante illustrée sur la figure 10, le module électrochimique présente une forme parallélépipédique et une face extérieure de laquelle les dites ouvertures sont affleurantes.
Comme cela apparaît à la lecture de la présente description, l’invention permet de simplifier la conception du convertisseur photoélectrochimique et d’accélérer la cinétique d’électrolyse de l’eau.
L’invention n’est bien évidemment pas limitée aux exemples présentés à titre illustratif et non limitatif.

Claims

Revendications
1. Convertisseur photoélectrochimique (5) comportant un module photovoltaïque (15) et un module électrochimique (10) comportant un bloc anodique (20) , un bloc cathodique (25) et une cellule d’électrolyse (30), prise en sandwich entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et qui est alimentée électriquement par le module photovoltaïque pour électrolyser de l’eau afin de générer du dihydrogène, la cellule d’électrolyse délimitant avec le bloc cathodique une chambre cathodique (70) et avec le bloc anodique une chambre anodique (65) pour la circulation de fluide au contact de la cellule d’électrolyse, le module électrochimique comportant un circuit de distribution d’eau débouchant à son aval dans la chambre anodique et comportant une portion d’échange thermique (110), pour échanger de la chaleur avec le module photovoltaïque (15), qui est disposée entre la chambre cathodique et le module photovoltaïque, le bloc cathodique (25) étant en un matériau électriquement conducteur, de préférence métallique, et reliant électriquement le module photovoltaïque (15) à la cellule d’électrolyse (30), ou le bloc cathodique (25) comportant, voire consistant en, un corps cathodique (255) fait d’un matériau électriquement isolant, de préférence céramique ou thermoplastique, le convertisseur électrochimique (5) comportant un organe de connexion électrique (270) reliant électriquement le module photovoltaïque (15) à la cellule d’électrolyse (30) et comportant une portion traversant le corps cathodique (255) de part en part.
2. Convertisseur selon la revendication 1, le bloc cathodique (25) étant disposé entre le module photo voltaïque (15) et le bloc anodique (20).
3. Convertisseur selon l’une des revendications 1 ou 2, le circuit de distribution d’eau étant ménagé au moins partiellement, voire intégralement, dans la masse du module électrochimique .
4. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la portion d’échange thermique (110) étant ménagée dans la masse du bloc cathodique.
5. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la portion d’échange thermique étant distante de moins de 5 mm du module photo voltaïque.
6. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, la portion d’échange thermique comportant plusieurs conduits d’échange thermique (125), de préférence s’étendant parallèlement les uns aux autres.
7. Convertisseur selon la revendication précédente, la portion d’échange thermique comportant une chambre de distribution (120) et une chambre de collecte (130), chaque conduit d’échange thermique débouchant à son amont dans la chambre de distribution et à son aval dans la chambre de collecte.
8. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le circuit de distribution comportant un conduit d’introduction (105) débouchant à son amont par une ouverture d’entrée d’eau (100) ménagée dans le bloc anodique (20) et à son aval dans la portion d’échange thermique (110).
9. Convertisseur selon la revendication précédente, l’ouverture d’entrée d’eau débouchant sur la face (150) du bloc anodique opposée au module photovoltaïque et/ou au bloc cathodique.
10. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications 8 et 9, le conduit d’introduction traversant le bloc anodique (20) et la cellule d’électrolyse (30) de part en part selon leurs épaisseurs respectives.
11. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le circuit de distribution comportant un conduit de distribution anodique (115) qui débouche à son amont dans la portion d’échange thermique (110) et à son aval dans le compartiment anodique (65).
12. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le bloc anodique comportant une paroi de fond (75) et une paroi latérale (80) s’étendant à partir de la paroi de fond et qui délimite une cavité (85) dans laquelle la cellule d’électrolyse et, de préférence, le bloc cathodique sont logés.
13. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module photoélectrochimique comportant un conduit de purge cathodique (170), pour évacuer le dihydrogène hors du module électrochimique, qui débouche à son amont dans la chambre cathodique (70) et à son aval hors du module électrochimique par une ouverture de purge cathodique (175), par exemple formée sur une face (150) du bloc anodique, et un conduit de purge anodique (160), pour l’évacuation de l’eau et du dioxygène formé par réaction à l’anode, qui débouche à son amont dans la chambre anodique (65) et à son aval par une ouverture de purge anodique (165) formée sur une face (150) du bloc anodique.
14. Convertisseur selon la revendication précédente, l’ouverture de purge cathodique (175), l’ouverture de purge anodique (170) et l’ouverture d’entrée d’eau (100) débouchant sur une même face module électrochimique, qui peut être une face du bloc anodique, par exemple opposée au module photovoltaïque (15).
15. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le bloc anodique et/ou le bloc cathodique étant obtenus par fabrication additive.
16. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le bloc cathodique (25) comportant une plaque d’écoulement cathodique (275) en un matériau électriquement conducteur, de préférence métallique, qui délimite la chambre cathodique (70) avec la cellule d’électrolyse (30).
17. Convertisseur selon la revendication précédente, la plaque d’écoulement cathodique (275) étant logée dans une niche (280) formée dans le corps cathodique.
18. Convertisseur selon l’une quelconque des revendications 16 et 17, la plaque d’écoulement cathodique (275) étant reliée électriquement au module photovoltaïque (15) par l’organe de connexion électrique (270) et étant au contact de la cellule d’électrolyse (30).
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