FR2872716A1 - REVERSIBLE DIHYDROGEN STORAGE PRODUCT, PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF, AND USE OF SUCH A PRODUCT FOR THE REVERSIBLE STORAGE OF DIHYDROGEN - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un produit de stockage réversible d'hydrogène moléculaire qui comprend un matériau actif qui a des propriétés de stockage d'hydrogène, et qui comprend un matériau catalytique qui est susceptible d'adsorber l'hydrogène moléculaire, et de dissocier l'hydrogène moléculaire en espèces hydrogénées, caractérisé en ce que le matériau actif comporte un oxyde de terre rare.L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel produit de stockage.L'invention concerne aussi l'utilisation d'un tel produit de stockage.The invention relates to a reversible molecular hydrogen storage product which comprises an active material which has hydrogen storage properties, and which comprises a catalytic material which is capable of adsorbing molecular hydrogen, and of dissociating the molecular hydrogen in hydrogenated species, characterized in that the active material comprises a rare earth oxide.The invention also relates to a method of manufacturing such a storage product.The invention also relates to the use of such a product. storage.
Description
"Produit de stockage réversible de dihydrogène, procédé de"Reversible storage product of dihydrogen, process for
fabrication d'un tel produit, et utilisation d'un tel produit pour le stockage réversible de dihydrogène" L'invention concerne un produit de stockage réversible 5 d'hydrogène moléculaire. BACKGROUND OF THE INVENTION The invention relates to a reversible storage product of molecular hydrogen.
L'invention concerne plus particulièrement un produit de stockage réversible d'hydrogène moléculaire qui comprend: - un matériau actif qui a des propriétés de stockage d'hydrogène; io - un matériau catalytique qui est susceptible d'adsorber l'hydrogène moléculaire, et de dissocier l'hydrogène moléculaire en espèces hydrogénées. The invention more particularly relates to a reversible storage product of molecular hydrogen which comprises: - an active material which has hydrogen storage properties; a catalytic material which is capable of adsorbing molecular hydrogen, and of dissociating molecular hydrogen into hydrogenated species.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel produit de stockage. The invention also relates to a method of manufacturing such a storage product.
L'invention concerne enfin l'utilisation d'un tel produit de stockage ou d'un produit de stockage obtenu par le procédé de fabrication. The invention finally relates to the use of such a storage product or a storage product obtained by the manufacturing process.
Les dispositifs de production d'énergie utilisant de l'hydrogène comme carburant font actuellement l'objet de nombreux développements notamment pour remplacer les carburants à base d'hydrocarbure auxquels on reproche d'être polluants. Power generation devices using hydrogen as fuel are currently undergoing many developments, in particular to replace the hydrocarbon-based fuels which are alleged to be pollutants.
Ainsi, les piles à combustible sont des dispositifs qui sont susceptibles de produire de l'électricité à partir d'hydrogène stocké dans des moyens de stockage et à partir de l'oxygène contenu dans l'air atmosphérique. Thus, fuel cells are devices that are capable of producing electricity from hydrogen stored in storage means and from oxygen contained in atmospheric air.
Les résidus du fonctionnement d'une pile à combustible sont principalement constitués d'eau. La pile à combustible est donc particulièrement peu polluante. The residues of the operation of a fuel cell consist mainly of water. The fuel cell is therefore particularly low polluting.
Ainsi, on tente d'équiper les véhicules automobiles de telles piles à combustible pour alimenter en électricité un moteur électrique de propulsion du véhicule afin de remplacer les traditionnels moteurs essence ou diesel. Thus, it attempts to equip motor vehicles such fuel cells to supply electricity to an electric propulsion engine of the vehicle to replace traditional gasoline or diesel engines.
De plus, la pile à combustible couplée avec un réservoir d'hydrogène forme un dispositif susceptible d'atteindre une densité énergétique élevée, et notamment d'avoir ainsi une grande autonomie de fonctionnement. Ainsi, de nombreuses autres applications sont possibles telles que l'alimentation d'ordinateurs ou de téléphones portables. In addition, the fuel cell coupled with a hydrogen reservoir forms a device capable of achieving a high energy density, and in particular to have a great autonomy of operation. Thus, many other applications are possible such as powering computers or mobile phones.
Cependant, l'autonomie de fonctionnement dépend principalement de la capacité des moyens de stockage d'hydrogène. On connaît déjà différents moyens de stockage io susceptibles de stocker de l'hydrogène sous différentes formes. Cependant, les moyens de stockage d'hydrogène connus présentent de nombreux inconvénients. However, the autonomy of operation depends mainly on the capacity of the hydrogen storage means. Various storage means are known which can store hydrogen in various forms. However, the known hydrogen storage means have many disadvantages.
On connaît ainsi le stockage d'hydrogène sous forme gazeuse dans un réservoir. Pour que la quantité d'hydrogène ainsi transportée soit suffisante, il est nécessaire de stocker l'hydrogène gazeux sous pression. Cependant, cette forme de stockage est peu pratique, car elle nécessite des réservoirs lourds censés résister à la pression. De plus, sous forme gazeuse à haute pression, le caractère explosif de l'hydrogène est exacerbé. Le stockage d'hydrogène gazeux sous pression est donc non seulement encombrant mais aussi dangereux. The storage of hydrogen in gaseous form in a reservoir is thus known. In order for the quantity of hydrogen thus transported to be sufficient, it is necessary to store hydrogen gas under pressure. However, this form of storage is impractical because it requires heavy tanks that are supposed to withstand the pressure. In addition, in gaseous form at high pressure, the explosive nature of hydrogen is exacerbated. Storage of gaseous hydrogen under pressure is not only cumbersome but also dangerous.
On connaît aussi le stockage d'hydrogène sous 1 atm et sous forme liquide. Pour maintenir l'hydrogène sous forme liquide, il est nécessaire de le refroidir à une température extrêmement basse, par exemple à -253 C. Or, le maintien de l'hydrogène à une telle température est très coûteux en énergie et nécessite un dispositif de refroidissement encombrant. The storage of hydrogen under 1 atm and in liquid form is also known. To maintain the hydrogen in liquid form, it is necessary to cool it to an extremely low temperature, for example at -253 C. However, the maintenance of hydrogen at such a temperature is very expensive in energy and requires a device for cumbersome cooling.
Pour résoudre ces problèmes, il est connu de stocker l'hydrogène par création d'une liaison à caractère ionique partiel au sein d'un composé chimique de stockage, tel que des hydrures métalliques. To solve these problems, it is known to store hydrogen by creating a partial ionic bond within a chemical storage compound, such as metal hydrides.
Ces composés chimiques de stockage sont susceptibles d'adsorber une très grande quantité d'hydrogène. La capacité volumique de stockage est ainsi plus élevée que dans les moyens de stockage précédents. These chemical storage compounds are capable of adsorbing a very large quantity of hydrogen. The storage volume capacity is thus higher than in the previous storage means.
Cependant, si les performances en capacité volumique des composés chimiques de stockage connus sont exceptionnelles, d'autres problèmes d'ordre technique et financier ne permettent pas d'envisager leur développement industriel en grande série. However, if the performance in volume capacity of known storage chemical compounds are exceptional, other technical and financial problems do not allow to consider their industrial development in large series.
Ces composés sont ainsi coûteux à fabriquer, notamment parce qu'ils comportent des constituants onéreux. These compounds are thus expensive to manufacture, especially because they have expensive components.
De plus, les opérations de stockage et/ou de déstockage io dans les composés chimiques de stockage connus nécessitent de chauffer ces derniers à des températures élevées. Dès lors, leur utilisation dans des appareils portables tels des téléphones portables, suppose alors l'ajout de nombreux éléments qui sont susceptibles d'augmenter les dimensions des appareils portables, rendant ces derniers moins concurrentiels. In addition, the storage and / or destocking operations in known storage chemical compounds require the latter to be heated to elevated temperatures. Therefore, their use in portable devices such as mobile phones, then suppose the addition of many elements that are likely to increase the size of portable devices, making them less competitive.
La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes en proposant un produit peu coûteux à fabriquer et qui est susceptible de stocker de l'hydrogène moléculaire de façon réversible dans des conditions proches des conditions normales de température et de pression. Le produit de stockage du type décrit précédemment est ainsi caractérisé en ce que le matériau actif comporte un oxyde métallique hydroxylé. The object of the present invention is to solve these problems by proposing a product which is inexpensive to manufacture and which is capable of reversibly storing molecular hydrogen under conditions close to normal conditions of temperature and pressure. The storage product of the type described above is thus characterized in that the active material comprises a hydroxylated metal oxide.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le matériau actif a une structure cristalline de type fluorite; - le matériau actif comporte de l'oxyde de terre rare hydroxylé ; - le matériau actif comporte du dioxyde de cérium hydroxylé ; - le matériau catalytique comporte un matériau du type nickel métallique (Ni) ; - sa formule chimique est (CeO2)Ni; - le matériau catalytique comporte du platine et/ou du palladium et/ou de l'or et/ou du rhodium et/ou du cuivre et/ou de l'argent; - le matériau actif forme un coeur qui porte à sa surface 5 des particules du matériau catalytique; - le produit de stockage se présente sous la forme d'une poudre dont chaque grain comporte un coeur de matériau actif et une surface de matériau catalytique; - le produit de stockage a une surface spécifique dont l'aire io est comprise entre 50 m2/g et 200 m2/g; L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un produit de stockage réversible d'hydrogène moléculaire tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'activation du produit de stockage qui comporte une première phase au cours de laquelle le produit de stockage est chauffé à une température d'activation du matériau actif sous une atmosphère réductrice, et une seconde phase de conditionnement au cours de laquelle le produit de stockage est chauffé à une température de désorption sous vide ou sous une atmosphère vierge d'espèces oxydantes. According to other features of the invention: the active material has a crystalline structure of fluorite type; the active material comprises hydroxylated rare earth oxide; the active material comprises hydroxylated cerium dioxide; the catalytic material comprises a material of the nickel metal (Ni) type; - its chemical formula is (CeO2) Ni; the catalytic material comprises platinum and / or palladium and / or gold and / or rhodium and / or copper and / or silver; the active material forms a core which carries particles of the catalytic material on its surface; the storage product is in the form of a powder, each grain of which comprises a core of active material and a surface of catalytic material; the storage product has a specific surface whose area is between 50 m 2 / g and 200 m 2 / g; The invention also relates to a method for manufacturing a reversible storage product of molecular hydrogen as described above, characterized in that it comprises a step of activating the storage product which comprises a first phase during which the storage product is heated to an activation temperature of the active material under a reducing atmosphere, and a second conditioning phase during which the storage product is heated to a desorption temperature under vacuum or in a virgin atmosphere. oxidizing species.
Selon d'autres caractéristiques du procédé de fabrication: - la température d'activation est supérieure à une première température limite inférieure au-delà de laquelle le matériau catalytique est transformé en phase purement métallique, et en ce que la température d'activation est inférieure à une seconde température limite supérieure au-delà de laquelle la conductivité ionique du matériau actif est sensiblement diminuée; - la température d'activation est comprise entre 200 C et 500 C; - la température de désorption est inférieure ou égale à la température d'activation; - à la fin de la première phase, le produit de stockage est refroidi depuis la température d'activation jusqu'à une température ambiante d'environ 25 C; - lors de la première phase, le produit est maintenu à la température d'activation pendant une durée qui est comprise entre 1 heure et 24 heures; - lors de la seconde étape de conditionnement, le produit 5 est maintenu à la température de désorption pendant une durée qui est comprise entre 1 heure et 24 heures; - le procédé de fabrication comporte une première étape préalable d'obtention d'un produit de stockage inactivé comportant un matériau catalytique ayant des propriétés io catalytiques de dissociation d'hydrogène moléculaire et comportant un matériau ayant des propriétés de conduction de l'hydrogène atomique lorsqu'il est activé ; - la première étape comporte une phase de co-précipitation au cours de laquelle un sel de terre rare est co-précipité avec un 15 autre sel métallique dans une solution basique; le sel de terre rare est du nitrate de cérium Ce(NO3)3.6H2O, et en ce que le sel métallique est du nitrate de nickel Ni(NO3)2.6H2O. According to other characteristics of the manufacturing process: the activation temperature is greater than a first lower limit temperature beyond which the catalytic material is converted to a purely metallic phase, and in that the activation temperature is lower than at a second upper limit temperature beyond which the ionic conductivity of the active material is substantially decreased; the activation temperature is between 200 ° C. and 500 ° C. the desorption temperature is less than or equal to the activation temperature; at the end of the first phase, the storage product is cooled from the activation temperature to an ambient temperature of approximately 25 ° C .; in the first phase, the product is kept at the activation temperature for a period of time which is between 1 hour and 24 hours; in the second conditioning stage, the product 5 is maintained at the desorption temperature for a period of time which is between 1 hour and 24 hours; the manufacturing method comprises a first prior step of obtaining an inactivated storage product comprising a catalytic material having catalytic properties of dissociation of molecular hydrogen and comprising a material having atomic hydrogen conduction properties when it is activated; the first step comprises a co-precipitation phase during which a rare earth salt is co-precipitated with another metal salt in a basic solution; the rare earth salt is cerium nitrate Ce (NO3) 3.6H2O, and in that the metal salt is nickel nitrate Ni (NO3) 2.6H2O.
L'invention concerne aussi l'utilisation du produit de stockage selon l'invention ou d'un produit obtenu par le procédé de fabrication selon l'invention pour le stockage réversible d'hydrogène moléculaire. The invention also relates to the use of the storage product according to the invention or of a product obtained by the manufacturing method according to the invention for the reversible storage of molecular hydrogen.
Selon d'autres caractéristiques de l'utilisation de ce produit de stockage: - l'utilisation comporte une première opération de stockage au cours de laquelle le produit est chauffé à une température de stockage qui est inférieure à la température d'activation sous une atmosphère comportant du dihydrogène; - la température de stockage est comprise entre 0 C et la 30 température d'activation - lors de l'opération de stockage, le produit de stockage est soumis à une pression qui est comprise entre 0,5 bar et 10 bars; - l'utilisation comporte une opération de déstockage du dihydrogène au cours de laquelle le produit de stockage est chauffé à une température de déstockage qui est inférieure ou égale à la température d'activation, sous vide ou sous atmosphère vierge d'espèces oxydantes; la température de déstockage est comprise entre 25 C et la température d'activation. According to other characteristics of the use of this storage product: the use comprises a first storage operation during which the product is heated to a storage temperature which is lower than the activation temperature under an atmosphere comprising dihydrogen; the storage temperature is between 0 ° C. and the activation temperature. During the storage operation, the storage product is subjected to a pressure of between 0.5 bar and 10 bar; - The use comprises a destocking operation of the hydrogen during which the storage product is heated to a destocking temperature which is less than or equal to the activation temperature, under vacuum or virgin atmosphere of oxidizing species; the destocking temperature is between 25 C and the activation temperature.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit. Other features and advantages will become apparent during the reading of the detailed description which follows.
De manière connue, le produit de stockage d'hydrogène comporte un matériau actif présentant des propriétés de io conduction ionique. Le matériau actif est ainsi susceptible de stocker de l'hydrogène sous forme d'espèces hydrogénées. De façon avantageuse, le matériau actif est constitué par une structure cristalline de type "fluorite" qui est très propice à une telle utilisation. In known manner, the hydrogen storage product comprises an active material having ionic conduction properties. The active material is thus capable of storing hydrogen in the form of hydrogenated species. Advantageously, the active material is constituted by a crystalline structure of "fluorite" type which is very conducive to such use.
Le matériau actif comporte une interface avec des particules d'un matériau catalytique de surface qui présente la propriété de capter ou adsorber des molécules de dihydrogène (H2) et d'en dissocier les atomes d'hydrogène de façon à former des espèces hydrogénées. The active material has an interface with particles of a surface catalytic material which has the property of capturing or adsorbing dihydrogen molecules (H2) and dissociating the hydrogen atoms to form hydrogenated species.
Le matériau catalytique présente aussi la propriété de pouvoir reconstituer une molécule de dihydrogène à partir des espèces hydrogénées. The catalytic material also has the property of being able to reconstitute a molecule of dihydrogen from the hydrogenated species.
Selon une forme avantageuse de l'invention, le produit de stockage est un matériau nano-composite sous forme de poudre. According to an advantageous form of the invention, the storage product is a nano-composite material in powder form.
Pour chaque grain de poudre, le matériau actif forme un coeur qui est tapissé d'une enveloppe plus ou moins dense de particules de matériau catalytique. For each grain of powder, the active material forms a core which is lined with a more or less dense envelope of particles of catalytic material.
Cependant, le produit de stockage n'est pas limité à cette forme "cceurlenveloppe", l'essentiel étant que le matériau catalytique ait au moins une portion de surface exposée au gaz à charger et que le produit de stockage présente une interface entre le matériau catalytique et le matériau actif. However, the storage product is not limited to this form "cceurenveloppe", the essential is that the catalytic material has at least a surface portion exposed to the gas to be loaded and that the storage product has an interface between the material catalytic and active material.
La capacité de stockage du produit de stockage est proportionnelle au volume du coeur actif. The storage capacity of the storage product is proportional to the volume of the active core.
Afin de favoriser les interactions avec le gaz à stocker, c'est-à-dire le dihydrogène (H2), la surface du produit présente une aire spécifique élevée, par exemple comprise entre 50 et 200 m2/g. In order to promote the interactions with the gas to be stored, that is to say the hydrogen (H 2), the surface of the product has a high specific surface area, for example between 50 and 200 m 2 / g.
Selon les enseignements de l'invention, le matériau actif est un oxyde métallique. According to the teachings of the invention, the active material is a metal oxide.
II s'agit ici d'un oxyde de terre rare, et plus particulièrement d'oxyde de cérium CeO2. En effet, le CeO2 présente une structure cristalline du type "fluorite" qui permet de stocker une grande quantité d'espèces hydrogénées. De plus, cet élément est un matériau peu onéreux. This is a rare earth oxide, and more particularly cerium oxide CeO2. Indeed, CeO2 has a crystalline structure of the "fluorite" type which makes it possible to store a large quantity of hydrogenated species. In addition, this element is an inexpensive material.
II s'agit plus particulièrement d'un coeur formé de d'oxyde de cérium hydroxylé qui présente des propriétés de conduction ionique tout à fait surprenantes et adaptées à une utilisation de stockage d'espèces hydrogénées. It is more particularly a core formed of hydroxylated cerium oxide which has ionic conduction properties quite surprising and adapted to a storage use of hydrogenated species.
Pour simplifier la lecture de la description, le terme "oxyde de cérium hydroxylé" sera par la suite désigné par le terme "CeO2". To simplify the reading of the description, the term "hydroxylated cerium oxide" will be referred to as "CeO2".
Le matériau catalytique est ici constitué de nickel métallique Ni qui présente les propriétés catalytiques requises. Cependant, le matériau catalytique peut aussi être constitué d'autres matériaux catalytiques parmi lesquels on cite le platine, le palladium, l'or, le cuivre, l'argent ou le rhodium. The catalytic material here consists of nickel metal Ni which has the required catalytic properties. However, the catalytic material may also consist of other catalytic materials, among which are platinum, palladium, gold, copper, silver or rhodium.
Le nickel Ni a cependant, l'avantage d'être peu onéreux par rapport aux exemples cités, et a l'avantage d'être réactif à l'hydrogène moléculaire dans des conditions standard de pression et de température (1 bar, 25 C). Nickel Ni, however, has the advantage of being inexpensive compared to the examples cited, and has the advantage of being reactive with molecular hydrogen under standard conditions of pressure and temperature (1 bar, 25 C). .
Ainsi, un produit de stockage de formule (CeO2)Ni a l'avantage d'être peu onéreux à fabriquer. Thus, a storage product of formula (CeO 2) Ni has the advantage of being inexpensive to manufacture.
Un tel produit de stockage peut être obtenu par le procédé de fabrication qui suit. Ce procédé de fabrication comporte principalement une première étape El d'obtention d'un produit inactif, puis une deuxième étape E2 d'activation du produit obtenu à la première étape. Such a storage product can be obtained by the following manufacturing process. This manufacturing process mainly comprises a first step El obtaining an inactive product, then a second step E2 activation of the product obtained in the first step.
Le procédé de fabrication est décrit pour la fabrication d'un produit de stockage dont le coeur est réalisé en CeO2 et dont la surface est réalisée en Ni, la surface présentant une interface avec le coeur. Mais il est bien sûr possible d'adapter les modalités de réalisation, notamment les différentes températures, en fonction des matériaux utilisés. The manufacturing method is described for the manufacture of a storage product whose core is made of CeO2 and whose surface is made of Ni, the surface having an interface with the core. But it is of course possible to adapt the implementation methods, including different temperatures, depending on the materials used.
La première étape d'obtention El comporte une première phase El1 de synthèse du produit inactif. The first step of obtaining El comprises a first phase El1 synthesis of the inactive product.
Selon un mode de réalisation préféré de la première phase io de synthèse El 1, le produit inactif est obtenu par une méthode dite de "coprécipitation". According to a preferred embodiment of the first synthesis phase El 1, the inactive product is obtained by a method known as "coprecipitation".
Des sels de nitrates Ce(NO3)3.6H2O et Ni(NO3)2.6H2O sont dissous dans de l'eau distillée (concentration entre 100 g.L"' et 200 g.L-1). Les nitrates sont co-précipités dans une solution de pH basique, par exemple de la potasse (KOH) concentrée à 100 g.L-' ou de la triéthylamine (TEA). Nitrate salts Ce (NO3) 3.6H2O and Ni (NO3) 2.6H2O are dissolved in distilled water (concentration between 100 gL "and 200 gL-1) Nitrates are co-precipitated in a pH solution basic, for example potassium hydroxide (KOH) concentrated to 100 μL or triethylamine (TEA).
Le précipité ainsi obtenu est filtré puis lavé. Le lavage du précipité est ici effectué à l'eau distillée bouillante jusqu'à ce que le pH de l'eau de lavage soit neutre, c'est-à-dire un pH environ égal à 7. The precipitate thus obtained is filtered and washed. The washing of the precipitate is carried out here with boiling distilled water until the pH of the washing water is neutral, that is to say a pH of about 7.
Lors d'une deuxième phase E12 de la première étape de fabrication El, le précipité est séché. During a second phase E12 of the first manufacturing step E1, the precipitate is dried.
Le précipité lavé est mis en suspension dans un récipient contenant de l'éthanol. Le récipient est ensuite plongé dans un appareil à ultrasons. L'éthanol et le précipité en suspension sont mélangés par exemple par un agitateur mécanique pendant une durée de 12 heures. Le précipité en suspension est ainsi parfaitement dispersé dans l'éthanol. The washed precipitate is suspended in a container containing ethanol. The container is then immersed in an ultrasonic apparatus. The ethanol and the precipitate in suspension are mixed for example by a mechanical stirrer for a period of 12 hours. The precipitate in suspension is thus perfectly dispersed in ethanol.
Le mélange ainsi obtenu est ensuite refroidi dans de l'azote liquide pendant une heure de façon à obtenir un bloc solide. The mixture thus obtained is then cooled in liquid nitrogen for one hour to obtain a solid block.
Le bloc solide est alors introduit dans un dessicateur qui est mis sous vide primaire. Le bloc solide est séché dans ces conditions à 25 C pendant 24 heures. The solid block is then introduced into a desiccator which is placed under a primary vacuum. The solid block is dried under these conditions at 25 C for 24 hours.
A l'issue de cette phase de dessication E12, on obtient ainsi une poudre de produit inactif dont la surface présente une aire spécifique qui est comprise entre 50 et 200 m2lg. At the end of this drying phase E12, an inactive product powder is thus obtained whose surface has a specific surface area of between 50 and 200 m 2 / g.
Cette phase de dessication E12 permet d'obtenir un produit de stockage plus performant, et notamment en améliorant l'état de surface du produit inactif. Cependant, cette phase E12 peut être réalisée suivant d'autres modes opératoires. This desiccation phase E12 makes it possible to obtain a more efficient storage product, and in particular by improving the surface state of the inactive product. However, this E12 phase can be carried out according to other procedures.
A l'issue de la première étape d'obtention El, on obtient un produit inactif sous forme de poudre qui comporte au moins deux io phases cristallines: CeO2 hydroxylé et Ni(OH)2. Ce produit inactif présente déjà la structure du produit de stockage final "coeur I surface" tel que décrit précédemment. Cependant, le coeur de CeO2 hydroxylé n'est pas activé, de plus le nickel n'est pas encore présent sous forme de nickel métallique Ni. At the end of the first step of obtaining E1, an inactive product is obtained in the form of a powder which comprises at least two crystalline phases: hydroxylated CeO 2 and Ni (OH) 2. This inactive product already has the structure of the final storage product "core I surface" as described above. However, the hydroxylated CeO 2 core is not activated, in addition the nickel is not yet present in the form of nickel metal Ni.
II est important que l'aire spécifique de la poudre soit grande afin de favoriser l'interaction de chaque grain de poudre avec le gaz à stocker, en l'occurrence avec le dihydrogène (H2) comme cela est expliqué plus loin dans la description. La première étape de fabrication El précédemment décrite, et notamment la phase de synthèse ElI utilisant la méthode de co-précipitation, permet d'obtenir une poudre ayant une surface spécifique dont l'aire est de l'ordre de 100 m2lg. It is important that the specific surface area of the powder is large in order to promote the interaction of each grain of powder with the gas to be stored, in this case with hydrogen (H2), as explained later in the description. The first manufacturing step El described above, and in particular the synthesis phase ElI using the co-precipitation method, makes it possible to obtain a powder having a specific surface whose area is of the order of 100 m 2 / g.
La deuxième étape d'activation E2, comporte une première phase E21 au cours de laquelle l'activation proprement dite du produit de stockage est réalisée sous une atmosphère réductrice contenant notamment du dihydrogène H2, et une seconde phase E22 de conditionnement au cours de laquelle le produit de stockage est "vidé" de l'hydrogène qu'il contient afin de le rendre opérationnel pour une opération de stockage d'hydrogène. The second activation step E2 comprises a first phase E21 during which the actual activation of the storage product is carried out under a reducing atmosphere containing, in particular, hydrogen H 2 and a second conditioning phase E 22 during which the The storage product is "emptied" of the hydrogen it contains in order to make it operational for a hydrogen storage operation.
La première phase E21 est destinée à "activer" le coeur, ici le CeO2 hydroxylé, du produit de stockage, c'est-à-dire à lui permettre d'adsorber ou retenir une "grande" quantité d'hydrogène de façon réversible dans des conditions de température et de pression proches des conditions normales, io c'est-à-dire à une température d'environ 25 C et à une pression d'environ 1 bar. The first phase E21 is intended to "activate" the heart, here the hydroxylated CeO 2, of the storage product, that is to say to enable it to adsorb or retain a "large" quantity of hydrogen reversibly in temperature and pressure conditions close to normal conditions, i.e. at a temperature of about 25 ° C and a pressure of about 1 bar.
Une seconde fonction de cette phase E21 est de transformer le matériau catalytique Ni(OH)2 en nickel métallique Ni. A second function of this phase E21 is to convert the catalytic material Ni (OH) 2 to nickel metal Ni.
Lors de cette première phase E21, le produit inactif obtenu lors de la première étape El est chauffé jusqu'à une température d'activation sous une atmosphère réductrice, et notamment sous une atmosphère constituée de dihydrogène pur ou dilué dans une io atmosphère neutre. Le produit de stockage est par exemple chauffé à une vitesse ou taux de chauffage de 10 C.min-1. During this first phase E21, the inactive product obtained in the first step E1 is heated to an activation temperature under a reducing atmosphere, and especially under an atmosphere consisting of pure hydrogen or diluted in a neutral atmosphere. The storage product is for example heated at a rate or heating rate of 10Cmin-1.
Puis le produit de stockage est maintenu à la température d'activation. Par exemple, la durée de maintien à la température d'activation peut varier entre 1 heure et 24 heures. Then the storage product is maintained at the activation temperature. For example, the hold time at the activation temperature may vary between 1 hour and 24 hours.
La température d'activation est ici comprise entre 200 C et 500 C. En effet, pour transformer le matériau catalytique du produit de stockage en nickel métallique Ni, il est nécessaire de chauffer le produit de stockage au-delà d'une température de 200 C. En revanche, si la température d'activation dépasse 500 C, les propriétés de conduction ionique du coeur de CeO2 hydroxylé du produit de stockage sont sensiblement diminuées. In this case, the activation temperature is between 200 ° C. and 500 ° C. In order to convert the catalytic material of the Ni metal nickel storage product, it is necessary to heat the storage product above a temperature of 200 ° C. C. On the other hand, if the activation temperature exceeds 500 C, the ionic conduction properties of the hydroxylated CeO 2 core of the storage product are substantially reduced.
De manière préférentielle, la température d'activation doit même être maintenue en deçà de 450 C pour que le produit de stockage ait une capacité de stockage optimale. Preferably, the activation temperature must even be kept below 450 C for the storage product to have an optimal storage capacity.
Puis la température est diminuée progressivement jusqu'à une température ambiante d'environ 25 C, par exemple à une vitesse ou taux de chauffage de 20 C.min-1 toujours sous la même atmosphère réductrice. Then the temperature is gradually decreased to an ambient temperature of about 25 C, for example at a rate or heating rate of 20Cmin-1 still under the same reducing atmosphere.
Lors de la deuxième phase de conditionnement E22, le produit de stockage ainsi activé est ensuite "vidé" de toutes les espèces hydrogénées qui ont été adsorbées lors de la phase de charge E21 de manière à le rendre opérationnel avant d'effectuer les opérations ultérieures de charge dans des conditions optimales. During the second conditioning phase E22, the storage product thus activated is then "emptied" of all the hydrogenated species which have been adsorbed during the charging phase E21 so as to make it operational before carrying out the subsequent operations of load under optimal conditions.
2872716 Il Ainsi, le produit de stockage est de nouveau chauffé mais sous une atmosphère vierge d'hydrogène et d'espèces oxydantes, par exemple sous argon ou sous hélium ou encore sous vide. Thus, the storage product is again heated but in a virgin atmosphere of hydrogen and oxidizing species, for example under argon or helium or under vacuum.
Le produit de stockage est ici chauffé à une vitesse ou taux de chauffage de 10 C.min-1 jusqu'à une température dite de désorption qui est inférieure ou égale à la température d'activation. The storage product is here heated at a rate or heating rate of 10Cmin-1 to a so-called desorption temperature which is less than or equal to the activation temperature.
La température de désorption est par exemple comprise entre 200 C et 500 C, et préférentiellement entre 200 C et 450 C. The desorption temperature is, for example, between 200 ° C. and 500 ° C., and preferably between 200 ° C. and 450 ° C.
io Le produit de stockage est ensuite maintenu à cette température de désorption pendant un temps suffisamment long pour que les espèces hydrogénées que le produit avait précédemment adsorbées soient désorbées, par exemple entre 1 heure et 24 heures. The storage product is then maintained at this desorption temperature for a time long enough for the hydrogenated species that the product had previously adsorbed to be desorbed, for example between 1 hour and 24 hours.
A l'issue de cette phase de conditionnement E22, le produit de stockage est refroidi jusqu'à 25 C à une vitesse ou taux de chauffage de 20 C.min1 toujours sous une atmosphère vierge d'hydrogène et d'espèces oxydantes. At the end of this conditioning phase E22, the storage product is cooled to 25 ° C. at a rate or heating rate of 20 ° C., always under a virgin atmosphere of hydrogen and oxidizing species.
Cette dernière phase E22 permet donc d'obtenir le produit 20 de stockage sous la forme finale d'une poudre dont la formule chimique est (CeO2)Ni. This last phase E22 thus makes it possible to obtain the storage product 20 in the final form of a powder whose chemical formula is (CeO 2) Ni.
L'invention propose d'utiliser le produit ainsi obtenu pour une application de stockage réversible d'hydrogène moléculaire ou dihydrogène. The invention proposes to use the product thus obtained for an application for the reversible storage of molecular hydrogen or dihydrogen.
Ainsi, lors d'une opération de stockage, ou de charge, de l'hydrogène dans le produit de stockage, le produit de stockage est maintenu à une température de stockage qui est comprise entre 0 C et la température d'activation (200-500 C) durant un palier de stockage sous une atmosphère de dihydrogène pur ou dilué dans une atmosphère neutre. Thus, during a storage or charging operation of hydrogen in the storage product, the storage product is maintained at a storage temperature which is between 0 ° C. and the activation temperature (200 ° C.). 500 C) during a storage stage under an atmosphere of pure dihydrogen or diluted in a neutral atmosphere.
Lors de ce palier de stockage, la température de stockage est de préférence comprise entre 25 C et la température d'activation. La pression de stockage à laquelle est soumis le produit de stockage lors du stockage peut être comprise entre 0,5 bar et 10 bars, mais elle est de préférence comprise entre 0,8 bar et 5 bars. During this storage stage, the storage temperature is preferably between 25 ° C. and the activation temperature. The storage pressure to which the storage product is subjected during storage can be between 0.5 bar and 10 bar, but it is preferably between 0.8 bar and 5 bar.
Lors de cette opération, les molécules de dihydrogène sont adsorbées par le nickel Ni qui, par ses propriétés catalytiques, dissocie les molécules de dihydrogène en ions hydrogène. Ces ions hydrogène sont ensuite adsorbés par le coeur, c'est-à-dire qu'ils migrent vers l'intérieur du coeur de CeO2 hydroxylé grâce aux propriétés de conduction ionique de ce dernier. Tant que le coeur n'est pas "plein", c'est-à-dire tant qu'il reste des espaces non occupés par des espèces hydrogénées, il est possible de remplir le produit de stockage. During this operation, the dihydrogen molecules are adsorbed by nickel Ni which, by its catalytic properties, dissociates the dihydrogen molecules into hydrogen ions. These hydrogen ions are then adsorbed by the core, that is to say that they migrate to the inside of the hydroxylated CeO 2 core by virtue of the ionic conduction properties of the latter. As long as the heart is not "full", that is to say as long as there are spaces not occupied by hydrogenated species, it is possible to fill the storage product.
La vitesse de stockage de l'hydrogène dans le produit de stockage augmente lorsque la température de stockage et/ou la pression de stockage augmentent. The storage rate of hydrogen in the storage product increases as storage temperature and / or storage pressure increases.
Cependant, de façon avantageuse, il est aussi possible de stocker l'hydrogène à des températures et à des pressions basses. Ainsi, même si la durée de "remplissage" du produit de stockage est allongée, l'énergie requise pour l'opération de stockage est avantageusement très faible. Advantageously, however, it is also possible to store hydrogen at low temperatures and pressures. Thus, even if the "filling" time of the storage product is lengthened, the energy required for the storage operation is advantageously very small.
De manière générale, il ne faut pas que le produit de stockage soit soumis à des conditions de température et de pression susceptibles de transformer le matériau catalytique ou de diminuer les propriétés de conduction ionique du matériau actif. A cet effet, on évitera par exemple de chauffer le produit de stockage au-delà de la température d'activation. In general, the storage product must not be subjected to temperature and pressure conditions capable of transforming the catalytic material or of reducing the ionic conduction properties of the active material. For this purpose, it will be avoided, for example, to heat the storage product beyond the activation temperature.
La durée du palier de stockage peut être variable en fonction de la quantité d'hydrogène que l'on veut stocker. La quantité d'hydrogène stockée dépend de la durée de chauffage et de la température de stockage. Ainsi, la quantité d'hydrogène stockée augmente lorsque la durée du palier de stockage augmente jusqu'à obtenir une quantité stable d'hydrogène stockée correspondant à la saturation du produit de stockage en hydrogène. The duration of the storage stage may be variable depending on the amount of hydrogen that we want to store. The amount of hydrogen stored depends on the heating time and the storage temperature. Thus, the amount of stored hydrogen increases as the duration of the storage stage increases until a stable amount of stored hydrogen is obtained corresponding to the saturation of the hydrogen storage product.
Ainsi, à titre d'exemple, des résultats d'expériences menées sur un échantillon de produit de stockage exposé à une pression de 1 bar sous une atmosphère de dihydrogène dilué à 95% dans de l'hélium et à une température de stockage de 250 C, sont donnés dans le tableau 1 suivant. Thus, by way of example, results of experiments carried out on a sample of storage product exposed to a pressure of 1 bar under a dihydrogen atmosphere diluted to 95% in helium and at a storage temperature of 250.degree. C, are given in Table 1 below.
Durée du palier de 0,16 1 2 4 6 8 stockage (h) Quantité relative 1 1, 5 2 3,8 4 4,2 d'hydrogène stocké Duration of the step of 0.16 1 2 4 6 8 storage (h) Relative quantity 1 1, 5 2 3.8 4 4.2 stored hydrogen
Tableau 1Table 1
Lorsque le produit de stockage est ainsi "rempli" d'hydrogène, il est possible de déstocker l'hydrogène en exposant de nouveau le produit de stockage "rempli" à certaines conditions de température et de pression, lors d'une opération de déstockage ou de décharge. When the storage product is thus "filled" with hydrogen, it is possible to destock the hydrogen by again exposing the "filled" storage product under certain conditions of temperature and pressure, during a destocking operation or discharge.
Au cours de l'opération de déstockage, le produit de stockage "rempli" est chauffé à une température de déstockage qui est comprise entre 25 C et la température d'activation durant un palier de déstockage sous une atmosphère hydrogénée et/ou sous une atmosphère neutre ou sous vide. Ce chauffage provoque la désorption sous forme de gaz de la majorité de l'hydrogène adsorbé lors de l'opération de charge. During the destocking operation, the "filled" storage product is heated to a destocking temperature of between 25.degree. C. and the activation temperature during a destocking stage under a hydrogenated atmosphere and / or under an atmosphere neutral or vacuum. This heating causes the desorption in the form of gas of the majority of the adsorbed hydrogen during the charging operation.
De préférence, la température de déstockage est supérieure ou égale à 100 C. Il est aussi possible de faire varier la pression de déstockage pour abaisser la température de déstockage en deçà de 100 C en conservant une vitesse de déstockage satisfaisante. Preferably, the destocking temperature is greater than or equal to 100 C. It is also possible to vary the destocking pressure to lower the destocking temperature below 100 C while maintaining a satisfactory retrieval rate.
Les ions hydrogène stockés dans le coeur du produit de stockage migrent alors vers sa surface. Au contact du nickel Ni, les ions hydrogène reforment des molécules de dihydrogène sous forme gazeuse. The hydrogen ions stored in the core of the storage product then migrate to its surface. In contact with nickel Ni, the hydrogen ions reform gaseous dihydrogen molecules.
Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, le tableau 2 présente des résultats d'opérations de déstockage menées sur un échantillon de produit de stockage "rempli" lors d'une opération préalable de stockage. Dans cet exemple, les opérations préalables de stockage ont duré 2 heures sous une pression de 1 bar et sous une atmosphère d'hydrogène dilué à 95% dans de l'hélium. Chaque opération préalable de stockage a eu lieu à une température de stockage différente de 50 C, 150 C et 250 C. Thus, by way of nonlimiting example, Table 2 presents results of destocking operations conducted on a sample of storage product "filled" during a prior storage operation. In this example, the preliminary storage operations lasted 2 hours under a pressure of 1 bar and under a hydrogen atmosphere diluted to 95% in helium. Each prior storage operation took place at a storage temperature different from 50 C, 150 C and 250 C.
Température de 50 C 150 C 250 C stockage Quantité d'hydrogène 1,4 1,9 1,0 relative déstockée Temperature of 50 C 150 C 250 C Storage Quantity of hydrogen 1,4 1,9 1,0 relative destocked
Tableau 2.Table 2.
Le produit de stockage est par exemple apte à désorber au moins 0,7 g d'hydrogène moléculaire pour 100 g de produit. The storage product is for example capable of desorbing at least 0.7 g of molecular hydrogen per 100 g of product.
Le produit de stockage est susceptible de subir plusieurs cycles de stockage/déstockage. The storage product is likely to undergo several cycles of storage / destocking.
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