FR2927907A1 - Installation de production d'hydrogene par electrolyse de l'eau. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une installation de production d'hydrogène gazeux par électrolyse de l'eau, comprenant un circuit d'alimentation en eau purifiée, débitant dans une cellule d'électrolyse de l'eau par l'intermédiaire d'une première chambre de régulation de niveau d'eau et de séparation eau - O2, ladite cellule comportant:√ des moyens d'électrolyse de l'eau,√ un générateur de courant continu,√ une sortie de mélange O2+eau raccordée à ladite première chambre,√ une sortie de mélange H2+eau reliée à une seconde chambre de régulation de niveau et de séparation eau - H2,√ une entrée raccordée à une sortie d'eau de ladite première chambre par l'intermédiaire d'un premier moyen de circulation,√ une entrée raccordée à une sortie d'eau de ladite seconde chambre par l'intermédiaire d'un second moyen de circulation,√ un capteur de température raccordé sur la sortie O2 + eau ou sur la sortie H2 + eau desdits moyens d'électrolyse,ladite première chambre étant raccordée à un circuit d'extraction de O2 et ladite seconde chambre étant raccordée à un circuit d'extraction de H2.
Description
10 La présente invention concerne une installation de production d'hydrogène gazeux par électrolyse de l'eau. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la fourniture d'hydrogène en vue de son stockage, par exemple dans un hydrure métallique, ou de sa consommation dans une pile à combustible. 15 On connaît la nécessité de réduire notre production de gaz à effet de serre et d'utiliser des énergies renouvelables. L'hydrogène est une alternative aux hydrocarbures car il s'agit d'une source d'énergie facilement stockable, contrairement à l'électricité, et son oxydation dégage une énergie très importante (285 kJ/mole). On connaît plusieurs façons de produire de 20 l'hydrogène gazeux ; la plus avantageuse consiste à électrolyser la molécule d'eau car il s'agit d'une réaction à haut rendement qui ne produit pas de CO2 contrairement aux procédés utilisés massivement que sont le reformage du méthane et d'hydrocarbures. On connaît trois grands types d'électrolyseurs pour l'électrolyse de 25 l'eau : les électrolyseurs alcalins, qui se caractérisent par l'utilisation d'un électrolyte liquide qui permet le transfert des ions hydroxyles (OH-) de la cathode vers l'anode, les électrolyseurs à haute température, dont l'électrolyte est une 30 céramique ; cette technologie n'en est qu'au stade du démonstrateur, 1 -2 - les électrolyseurs à membrane, dont l'électrolyte est une membrane échangeuse d'ions à conduction protonique. Les électrolyseurs à membrane PEM (Proton Exchange Membrane) présentent de nombreux avantages, notamment : l'absence de circulation d'électrolyte, ce qui simplifie l'installation et facilite la gestion des pressions (très grande résistance aux forts différentiels de pression), une grande stabilité chimique et électrochimique, conduisant à de longues durées de vie, des rendements élevés, la possibilité de fonctionner à basse ou à haute pression, des puretés de gaz très élevées (très faible perméation de l'hydrogène à travers la membrane donc moins d'hydrogène dans l'oxygène et donc plus de sécurité), la possibilité de redémarrer rapidement l'électrolyseur même après un arrêt prolongé, la possibilité de produire en toute sécurité sur une vaste plage de débits.
Un inconvénient des électrolyseurs à membrane PEM est qu'ils doivent être alimentés en eau extrêmement pure car les impuretés polluent la membrane. Ces types d'électrolyseurs incorporent donc un grand nombre de cellules de purification de l'eau, à résine ou autre. Si l'électrolyseur rejette de l'eau purifiée, ceci se traduit par une plus grande consommation d'eau et donc par une perte d'efficacité prématurée des résines et par la nécessité de les changer ou de les régénérer plus souvent. Il y a donc un avantage particulier, sur ce type d'électrolyseur, à éviter toute perte d'eau purifiée et donc à récupérer et à recycler toute l'eau possible.
A cet effet, l'invention propose une installation de production 30 d'hydrogène gazeux par électrolyse de l'eau, comprenant : ^ un circuit d'alimentation en eau purifiée, ^ débitant dans une cellule d'électrolyse de l'eau par l'intermédiaire d'une première chambre de régulation de niveau d'eau et de séparation eau - 02, ^ ladite cellule comportant : / des moyens d'électrolyse de l'eau, / un générateur de courant continu, / une sortie de mélange 02+eau raccordée à ladite première chambre, / une sortie de mélange H2+eau reliée à une seconde chambre de régulation de niveau et de séparation eau - H2, / une entrée raccordée à une sortie d'eau de ladite première chambre par l'intermédiaire d'un premier moyen de circulation, / une entrée raccordée à une sortie d'eau de ladite seconde chambre par l'intermédiaire d'un second moyen de circulation, / un capteur de température raccordé sur la sortie 02 + eau ou sur la sortie H2 + eau desdits moyens d'électrolyse, ^ ladite première chambre étant raccordée à un circuit d'extraction de 02, ^ ladite seconde chambre étant raccordée à un circuit d'extraction de H2.
En pratique, les moyens d'électrolyse de l'eau peuvent consister en un empilement de plusieurs cellules à membrane PEM montées en série, que l'on appelle un stack . Le stack est alimenté en courant continu par un générateur dont la tension de sortie peut être réglable.
L'installation d'électrolyse de l'eau selon l'invention comporte des boucles de recyclage d'eau purifiée : entre le stack et la chambre de séparation eau - hydrogène, entre le stack et la chambre de séparation eau - oxygène, entre la chambre de séparation eau û oxygène, le purificateur d'oxygène et le réservoir de stockage d'eau pure, entre la chambre de séparation eau û hydrogène, le purificateur d'hydrogène et le réservoir de stockage d'eau pure, l'invention propose de plus une canalisation pour conduire de l'eau de la chambre de séparation eau û hydrogène vers la chambre de séparation eau û oxygène, commandée par une électrovanne, dont le fonctionnement est décrit plus bas.
Ces boucles et circuits de recyclage ont pour objet de recycler l'eau purifiée au lieu de la disperser. Ainsi l'installation selon l'invention transforme en H2 et 02 toute l'eau qu'elle consomme. Les chambres de séparation eau û hydrogène et eau û oxygène jouent un rôle important dans l'invention car un grand volume d'eau est entraîné avec les gaz en sortie de la cellule d'électrolyse. Avantageusement, l'invention propose d'utiliser comme chambres de séparation eau û gaz des régulateurs de niveau de liquide, très compacts, ce qui présente plusieurs avantages : -le volume mort est faible ; or les normes applicables en matière de sécurité des appareils à pression fixent des seuils exprimés en pression maximale x volume ; - ceci permet de concevoir une installation elle-même très compacte. Ces régulateurs de niveau délivrent en permanente un signal en fonction du niveau de liquide, qui peut être exploité par un calculateur. notamment en cas d'atteinte du niveau maximum ou du niveau minimum de liquide. Le circuit d'alimentation en eau peut être branché sur l'eau courante et comporte plusieurs unités de purification de l'eau, pouvant être de type différent (par exemple à résine et/ou à charbon actif) pour une meilleure purification. De plus, le circuit d'alimentation en eau de l'installation est remarquable en ce sens qu'au lieu d'alimenter directement le stack d'électrolyse, il alimente la première chambre de séparation eau - 02, utilisant le fait qu'on utilise des régulateurs de niveau pour remplir cette fonction de séparation. Dans une autre variante, le circuit d'alimentation en eau peut être branché sur un réservoir de stockage d'eau dé ionisée. Un capteur de conductivité monté sur le circuit d'alimentation en eau des moyens d'électrolyse permet de vérifier en continu le degré de pureté de l'eau. -5 Les circuits d'extraction des gaz peuvent comporter chacun une unité de purification de gaz ayant pour fonction de retenir la vapeur d'eau, cette eau étant recyclée vers le réservoir de stockage. Pour une meilleure extraction de la vapeur d'eau en vue d'une utilisation particulière du gaz, par exemple le remplissage d'un hydrure en hydrogène, ladite unité de purification de gaz peut comporter un refroidisseur de gaz à effet Peltier. Les deux circuits de gaz peuvent chacun comporter en sortie un moyen de régulation de pression qui peut être par exemple un régulateur de pression qui est à la fois un capteur de pression et une électrovanne proportionnelle.
Par mesure de sécurité, les circuits H2 et 02 de l'installation de production d'hydrogène selon l'invention peuvent être dotés de moyens d'évacuation des gaz, par exemple des soupapes proportionnelles ou évents, destinées à faire baisser instantanément la pression en cas de surpression. Dans la variante de l'installation décrite ci-dessus, la pression de fonctionnement est d'environ 10 bars. Cependant l'installation peut fonctionner à plus haute pression, par exemple jusqu'à 50 bars et au-delà ; elle présente alors l'avantage de délivrer des gaz à plus haute pression pour le stockage et d'éviter ainsi des étages de compression, dont le rendement est mauvais, en aval de l'installation. Dans ce cas, pour des raisons de sécurité, il n'est plus possible de renvoyer directement l'eau ayant parcouru la boucle hydrogène vers le stockage ou vers la boucle oxygène à cause d'une plus grande quantité d'hydrogène dissous. Il doit être prévu en sus un stockage tampon pour la récupération de cette eau et permettre son dégazage avant de la conduire, par exemple par pompage, vers le réservoir de stockage d'eau purifiée. L'installation selon l'invention peut comporter une unité de contrôle/commande comprenant un automate programmable industriel dont les entrées sont reliées aux capteurs de l'installation (niveaux d'eau, pression, température, conductivité, débit de gaz, ampérage...) et dont les sorties sont reliées aux actionneurs de l'installation (moyens de circulation, électrovannes, générateur...). -6 L'automate programmable exécute une suite d'instructions mémorisées dans l'un de ses composants, ce qui permet à un utilisateur de piloter l'installation de production d'hydrogène, par exemple selon plusieurs modes de fonctionnement, notamment : un mode Production d'hydrogène , dans lequel les données de consigne fournies par l'utilisateur sont le débit et la pression de fonctionnement de l'installation ; les gaz produits peuvent être utilisés pour toute application nécessitant de l'hydrogène et/ou de l'oxygène ; un mode Stockage d'hydrogène , dans lequel les données de consigne fournies par l'utilisateur sont le débit et la pression de remplissage du réservoir ; de par la conception même de l'installation, la montée en pression est progressive et, dans le cas d'une recharge d'hydrure, ceci évite une montée en température de l'hydrure et assure donc un remplissage optimum ; un mode Consommation d'hydrogène , par exemple alimentation d'une pile à combustible en cours de test, dans lequel la donnée de consigne est un débit initial, régulé par la pression pour tenir compte de la consommation de la pile. L'exécution d'un mode de fonctionnement se traduit par la réalisation 20 d'une succession de phases, par exemple : Préparation au démarrage, Polarisation de l'électrolyseur, Démarrage de l'électrolyse, Purge, 25 Pause, Production, Pause, Arrêt général.
30 Au cours de la phase de production, l'automate programmable exécute notamment les algorithmes suivants : - 7 1) Régulation de la pression et du niveau d'eau, notamment dans le circuit 112. En effet, d'une part la décomposition stoechiométrique de l'eau conduit à 2 moles d'hydrogène pour une mole d'oxygène, d'autre part à chaque fois qu'un proton traverse la membrane de la cellule d'électrolyse, au moins une molécule d'eau la traverse également. Il s'ensuit que le niveau de l'eau et la pression montent plus vite dans la chambre de séparation eau ù hydrogène que dans la chambre de séparation eau ù oxygène. Ceci peut être une source de difficulté car certaines membranes PEM doivent travailler en quasi-équipression. Cet algorithme est décrit plus bas. 2) Adaptation de la consigne de tension aux bornes du stack en fonction de la température. Il est connu que le rendement de la réaction de décomposition de l'eau dans une cellule d'électrolyse de l'eau augmente avec la température. Le capteur de température est prévu pour mesurer la température de l'eau en sortie du stack d'électrolyse, cette mesure étant utilisée par l'automate programmable pour adapter la tension aux bornes dudit stack d'électrolyse en fonction de la consigne de débit de gaz fournie par l'utilisateur. 3) Calcul en continu du débit des gaz produits. L'installation selon l'invention peut comporter des capteurs de débit de gaz, mais de façon surprenante il est apparu que le débit calculé par une équation de coulométrie est bien plus précis que la mesure des capteurs. Ainsi le débit d'hydrogène produit est calculé par l'automate programmable à l'aide de la formule suivante : D = A * N * 3600 / (2 * e * Nv * Vo), dans laquelle : D est le débit en Normaux litres par heure (Nl/h), N est le nombre de cellules dans le stack , A est le courant qui traverse de stack en ampères, e est la charge de l'électron (1,6 10-1 Coulomb) Nv est le nombre d'Avogadro (6,02 1023), Va est le volume d'une mole en N1 (22,4 litres).
A titre de contrôle, le résultat calculé peut être comparé par l'automate de contrôle à la mesure d'un capteur de débit installé dans le circuit d'hydrogène. 4) Mesure en continu de la conductivité de l'eau. En cas de dépassement d'un seuil critique de qualité de l'eau défini par le constructeur du stack , l'automate lance une procédure d'arrêt de l'installation. Par exemple, un seuil de conductivité de 1 gS/cm ou de résistivité de 1 megOhm.cm peut être utilisé. Pour rappel, selon la norme ASTM, une eau dont la conductivité est inférieure à 0,055 pS/cm ou dont la résistivité est supérieure à 18 megOhm.cm est appelée eau ultra pure de type 1.
Avantageusement, l'installation peut comporter en outre des moyens de contrôle de la température de l'eau d'alimentation du stack d'électrolyse lui permettant de fonctionner sous des climats très différents. En effet, le stack d'électrolyse produit de la chaleur et sous de fortes températures, ceci peut conduire, surtout pour des installations de puissance élevée, à des températures de fonctionnement excessives. L'installation peut donc comporter des moyens pour refroidir le stack , par exemple à l'aide d'échangeurs de calories sur le circuit d'alimentation en eau. De même, quand la température de fonctionnement de l'installation est trop basse (température extérieure trop basse et/ou pour faire monter le stack en température plus vite pour augmenter le rendement), il peut être avantageux de réchauffer le stack . L'installation peut donc comporter des moyens pour réchauffer le stack en utilisant les calories dégagées par le générateur, par exemple en prévoyant des échangeurs de calories sur le circuit d'alimentation en eau.
Un mode de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :30 Les figures la et lb représentent des schémas fonctionnels d'une installation fonctionnant à basse pression utilisant un stack dont les deux compartiments travaillent en équipression (figure la) et fonctionnant à haute pression utilisant un stack dont les deux compartiments travaillent en équipression (figure lb) ;
Les figures 2a et 2b représentent des schémas fonctionnels de variantes d'installations utilisant des moyens de régulation de la température, fonctionnant à basse pression (figure 2a) et à haute pression (figure 2b) ;
La figure 3 est un organigramme de la fonction de régulation du niveau d'eau dans la chambre de séparation eau ù H2.
Les gaz sont produits par électrolyse de l'eau dans le stack d'électrolyse 4 alimenté en courant continu par le générateur 5 et entraînés par la circulation d'eau. Il existe deux boucles de circulation d'eau : une boucle 02 entretenue par un premier moyen de circulation 10, comportant une première chambre de séparation eau ù 02 6, et une unité de purification d'eau 11, une boucle H2 entretenue par un second moyen de circulation 15, comportant une seconde chambre de séparation eau ù H2 16 et une unité de purification d'eau 17. Les gaz produits sont ensuite conduits vers des circuits d'extraction respectivement d'hydrogène et d'oxygène qui comportent, du côté 02, une unité de purification 24 pour éliminer 1"humidité et les traces d'hydrogène dans 02, une unité d'analyse 25 pour vérifier la concentration résiduelle en H2 dans l'oxygène et un régulateur de pression 26, et du côté H2, une unité de purification 19 pour éliminer l'humidité et les traces d'oxygène dans H2, une unité d'analyse 20 pour vérifier la concentration résiduelle en impuretés dans H2, un régulateur de pression 21, et un capteur de pression 22. L'eau - 10 -• condensée est conduite vers le réservoir de stockage 1 respectivement par des canalisations 28 et 29 grâce à des moyens de circulation. Lesdites première et seconde chambre de séparation 6 et 16 sont reliées à des évents respectifs oxygène 27 et hydrogène 23, par exemple des soupapes 5 de sécurité, de façon à relâcher du gaz en cas de surpression. Une canalisation 30 relie la première et la seconde chambres de séparation 6 et 16. Commandée par une électrovanne 18, elle permet de réguler le niveau d'eau dans la chambre de séparation eau û H2 16 en évacuant de l'eau vers la chambre de séparation eau û oxygène 6. 10 Un capteur de température 14 placé par exemple à la sortie de mélange eau + 02 ou de mélange eau + H2 du stack 4 permet de mesurer la température de l'eau en sortie du stack . Une sonde de conductivité de l'eau 12 peut être placée sur le circuit de retour d'eau dans la boucle 02 pour vérifier le degré de purification de l'eau. 15 Un capteur de débit 13 peut être placé sur le circuit de retour d'eau dans la boucle 02 pour vérifier l'alimentation du stack en eau. Le capteur de pression 22 placé en sortie de la ligne hydrogène permet d'assurer le contrôle des modes Stockage d'hydrogène et Consommation d'hydrogène . 20 En amont, l'installation est alimentée par un circuit d'alimentation en eau purifiée, branché sur le réseau d'eau courante et qui comporte, montés en série, un régulateur de pression 2, des unités de purification de l'eau 3, un réservoir de stockage d'eau purifiée 1 pouvant comporter un capteur de niveau, et, montés sur une canalisation 7, un troisième moyen de circulation 8, 25 par exemple une pompe de relevage et une électrovanne 9, l'électrovanne 9 et la pompe de relevage 8 étant actionnées pour alimenter en eau le stack d'électrolyse par l'intermédiaire de ladite première chambre de séparation eau û 02 6 quand le niveau d'eau dans cette chambre 6 atteint le niveau minimum. -11- Les moyens de circulation de liquide peuvent consister en des pompes ou, en fonction de la position relative des éléments dans l'installation, de l'effet de la gravité. L'installation peut en outre comporter une unité de contrôle/commande comprenant un automate programmable 31 connecté à des moyens d'affichage et de saisie 32. Les entrées de l'automate programmable 31 sont reliées : aux capteurs de niveau respectivement des chambres de séparation eau-H2 6 et eau-02 16, au capteur de niveau du réservoir de stockage d'eau pure 1, 10 aux régulateurs de pression 21 et 26, au capteur de pression H2 22, au capteur de température 14, - à la sonde de conductivité 12, aux unités de purification 19 et 24, 15 aux unités d'analyse 20 et 25, au capteur de débit d'eau 13, au générateur de courant 5, au stack d'électrolyse 4.
20 Les sorties de l'automate programmable 31 sont reliées : aux pompes de relevage 8 et de circulation 10 et 15, - aux électrovannes 9 et 18, aux régulateurs de pression 21 et 26, au générateur de courant continu_, 25 aux unités de purification 19 et 24.
La figure lb représente un schéma fonctionnel d'une variante de l'installation prévue pour fonctionner à haute pression. Dans cette variante les équipements ou leur montage doivent être adaptés à des pressions plus 30 importantes, par exemple 50 bars. - 12 - Dans cette variante, les excédents d'eau dans le circuit d'extraction d'hydrogène sont collectés dans un stockage tampon 33 comportant un capteur de niveau, par une canalisation 34 en provenance de l'unité de purification 19 et une canalisation 35 en provenance de la chambre de séparation eau + H2 16, en vue de leur dégazage en hydrogène. En conséquence, la liaison directe 30 entre les deux chambres de séparation 6 et 16 n'existe plus. L'eau dégazée dans le réservoir tampon 33 est conduite vers le réservoir de stockage 1 par une conduite 36 sur laquelle est monté un quatrième moyen de circulation, par exemple une pompe de circulation 37. L'hydrogène issu de ce dégazage est dirigé du réservoir tampon 33 vers l'évent 23 par une canalisation. Ce circuit d'extraction d'hydrogène comporte comme auparavant une unité d'analyse des gaz 20 et un régulateur de pression 21. Dans cette variante, si les analyseurs de gaz H2 20 et 02 25 ne supportent pas la haute pression, il est possible de les mettre en parallèle dans leur circuit d'extraction respectif après détente des gaz et de les relier aux évents H2 23 et 02 27. Une alimentation en gaz neutre sous pression, représentée en traits interrompus, comportant une bouteille de gaz inerte sous pression 39 et une électrovanne 38, peuvent être utilisées pour mettre l'installation en pression, mais n'est nullement nécessaire. Elle peut également être utilisée pour inerter l'installation. Comme dans la variante basse pression, l'installation peut être pilotée par une unité de contrôle/commande, comprenant un automate programmable 31 et des moyens d'affichage et de saisie 32. Outre les capteurs et actionneurs déjà mentionnés, les entrées et sorties de l'automate programmable 31 sont dans cette variante également reliées : • pour les entrées, au capteur de niveau du stockage tampon 33, • pour les sorties, à la pompe de circulation 37.
L'automate programmable peut également commander l'électrovanne 38 sur l'alimentation en gaz sous pression. -13-, Dans la variante représentée sur les figures 2a et 2b, l'installation comporte en outre au moins un échangeur de calories 42, 42' entre la sortie d'eau de ladite première chambre 6 et l'alimentation en eau du stack d'électrolyse 4, qui peut servir à refroidir l'eau ou à la réchauffer grâce à un fluide caloporteur circulant dans un circuit de refroidissement/réchauffage, représenté en trait interrompus, en fonction de la température mesurée par exemple par le capteur de température 14. Dans la fonction refroidissement, le fluide caloporteur circule grâce à moyen de circulation, par exemple une pompe de circulation 41, entre l'échangeur 42 et un second échangeur de calories 40 en contact avec une source froide, ce second échangeur 40 pouvant être un échangeur air/liquide ou liquide/liquide, de façon à évacuer les calories en excédent. Dans la fonction réchauffage, le fluide caloporteur circule grâce à une pompe de circulation 41' entre l'échangeur 42' et un troisième échangeur 43 accolé au générateur 5, qui, en fonctionnement, produit des calories et peut donc être considéré comme une source chaude, de façon à réchauffer le fluide caloporteur ; dans le cas d'un couplage à des énergies renouvelables, le générateur 5 peut être remplacé par un convertisseur spécifique d'électricité photovoltaïque et/ou éolienne pour alimenter le stack 4, et ce convertisseur dégage lui aussi de la chaleur qui peut être récupérée. Avantageusement les deux circuits de refroidissement et de réchauffage peuvent être couplés de façon à ce que les échangeurs 42 et 42' soient confondus et à ce que les pompes 41 et 41' soient également confondues, comme représenté en figures 2a et 2b. Le changement de configuration du circuit de refroidissement/réchauffage peut s'effectuer grâce à deux électrovannes à trois voies 44 et 45 qui permettent de placer dans le circuit soit le second échangeur 40, soit le troisième échangeur 43, de façon configurer comme suit le circuit du fluide caloporteur : - refroidissement : échangeur 42 ù électrovanne 44 ù échangeur 40 ù électrovanne 45 ù pompe de circulation 41 ù échangeur 42, -14- réchauffage : échangeur 42 -- électrovanne 44 û échangeur 43 û électrovanne 45 û pompe de circulation 41 û échangeur 42. La pompe 41 peut bien sûr être placée sur l'autre branche commune du circuit de refroidissement/réchauffage, à savoir entre l'échangeur 42 et l'électrovanne 44. Dans cette variante, les électrovannes 44 et 45 et la pompe 41 sont bien sûr reliés aux sorties de l'automate programmable 31, le capteur de température 14 étant relié à une entrée de l'automate programmable 31.
La figure 3 détaille l'algorithme de régulation de niveau et de pression dans la chambre de séparation eau û H2 16. Les niveaux d'eau dans les chambres de séparation 6 et 16 ainsi que les pressions dans les circuits H2 et 02 sont mesurés en permanence. Lorsque le niveau de l'eau atteint le niveau maximum dans la chambre de séparation eau - H2 16, le régulateur de pression 02 26 est ouvert de façon à faire baisser la pression du côté oxygène et en conséquence augmenter l'écart de pression entre la boucle H2 et la boucle 02. Quand cet écart est suffisant, en pratique quand il atteint 0,2 bar, l'électrovanne 18 sur la conduite 30 entre les deux chambres de séparation 6 et 16 est ouverte pour que de l'eau passe du séparateur eau û H2 16 vers le séparateur eau û 02 6, tout en maintenant ledit écart de façon à ce que la seconde chambre de séparation 16 se vide partiellement dans la première chambre de séparation 6. L'électrovanne 18 et le régulateur de pression 02 26 sont fermés quand l'une des deux conditions suivantes est remplie : - l'eau atteint le niveau maximum dans le séparateur eau û 02 6, - l'eau atteint le niveau minimum dans le séparateur eau û H2 16.
Claims (5)
1. Installation de production d'hydrogène gazeux par électrolyse de l'eau, caractérisée en ce qu'elle comporte : ^ un circuit d'alimentation en eau purifiée, ^ débitant dans une cellule d'électrolyse de l'eau par l'intermédiaire d'une première chambre de régulation de niveau d'eau et de séparation eau - 02 (6), ^ ladite cellule comportant : / des moyens d'électrolyse de l'eau (4), / un générateur de courant continu (5), / une sortie de mélange 02+eau raccordée à ladite première chambre (6), / une sortie de mélange H2+eau reliée à une seconde chambre de régulation de niveau et de séparation eau - H2 (16), / une entrée raccordée à une sortie d'eau de ladite première chambre (6) par l'intermédiaire d'un premier moyen de circulation (10), / une entrée raccordée à une sortie d'eau de ladite seconde chambre (16) par l'intermédiaire d'un second moyen de circulation (15), / un capteur de température (14) raccordé sur la sortie 02 + eau ou sur la sortie H2 + eau desdits moyens d'électrolyse (4), ^ ladite première chambre (6) étant raccordée à un circuit d'extraction de 02, ^ ladite seconde chambre (16) étant raccordée à un circuit d'extraction de H2.
2. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 1, 25 caractérisée en ce que lesdits moyens d'électrolyse de l'eau (4) comportent au moins une membrane PEM (Proton Exchange Membrane).
3. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites première et seconde chambres (6, 16) sont 30 reliées l'une à l'autre par une canalisation (30) commandée par une électrovanne (18).-16-
4. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit circuit d'alimentation en eau purifiée est branché sur le réseau d'eau courante et comporte, montés en série, un régulateur de pression (2), au moins une unité de purification de l'eau (3), un réservoir de stockage d'eau purifiée (1), un troisième moyen de circulation (8), une électrovanne (9), ladite électrovanne (9) et ledit moyen de circulation (8) étant actionnés pour alimenter en eau ladite première chambre de séparation eau ù 02 (6) quand le niveau d'eau dans cette chambre (6) atteint le niveau minimum.
5. Installation de production d'hydrogène selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit circuit d'extraction d'O2 comprend : ^ une unité de purification de 02 (24) effectuant une extraction d'eau, l'eau extraite étant réinjectée dans ledit réservoir de stockage d'eau purifiée (1) par une canalisation (28) et grâce à un moyen de circulation. ^ un moyen d'analyse des gaz (25), ^ un moyen de régulation de pression d'O2 (26). 8. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite première chambre de séparation (6) est en outre reliée à un premier moyen d'évacuation de gaz (27), de façon à faire baisser la pression en relâchant de l'O2 en cas de surpression dans ledit circuit d'extraction de 02. 9. Installation de production d'hydrogène selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisée en ce que ledit circuit d'extraction de H2 comprend :- 17- ^ une unité de purification de H2 (19) effectuant une extraction d'eau, l'eau extraite étant réinjectée dans ledit réservoir de stockage d'eau purifiée (1) par une canalisation (29) et grâce à un moyen de circulation, ^ un moyen d'analyse des gaz (20), ^ un moyen de régulation de pression de H2 (21). 8. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite seconde chambre de séparation (16) est en outre 10 reliée à un second moyen d'évacuation de gaz (23), de façon à faire baisser la pression en relâchant de l'H2 en cas de surpression dans ledit circuit d'extraction de H2. 9. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une unité de contrôle/commande, comprenant : ^ un automate programmable (31), / dont les entrées sont reliées auxdites première et seconde chambres de 20 régulation de niveau (6, 16), à un capteur de niveau du réservoir de stockage d'eau pure (1), auxdits régulateurs de pression (21, 26), auxdits moyens d'électrolyse de l'eau (4), à un capteur de conductivité (12) et à un capteur de débit (13) montés sur l'entrée desdits moyens d'électrolyse de l'eau (4), auxdits moyens d'analyse des gaz (20, 25), 25 audit capteur de pression H2 (22), auxdites unités de purification des gaz (19, 24), au générateur de courant (5), au capteur de température (14), / et dont les sorties sont reliées auxdits premier, second et troisième moyens de circulation (8, 10, 15), auxdites électrovannes (9, 18), audit 30 générateur de courant continu (5), auxdits régulateurs de pression (21, 26), auxdites unités de purification (19, 24),-18- ^ des moyens d'affichage et de saisie (32), connectés audit automate programmable (31), ^ ledit automate programmable (31) étant conçu pour piloter le fonctionnement de ladite installation en exécutant une suite d'instructions 5 mémorisées dans un de ses composants. 10. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit module de contrôle/commande est conçu pour piloter le fonctionnement de ladite installation selon une pluralité de modes 10 possibles de fonctionnement. 11. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit module de contrôle/commande est conçu pour piloter le fonctionnement de ladite installation selon trois modes possibles : 15 ^ mode production d'hydrogène, dans lequel les données de consigne fournies par l'utilisateur sont le débit et la pression de fonctionnement de l'installation, indépendamment de l'utilisation de l'hydrogène et/ou de l'oxygène produit, ou ^ mode stockage d'hydrogène, dans lequel ladite installation alimente un 20 moyen de stockage d'hydrogène et les données de consigne fournies par l'utilisateur sont le débit et la pression de remplissage du réservoir, ou ^ mode consommation d'hydrogène, dans lequel ladite installation alimente un moyen de consommation d'hydrogène et la donnée de consigne est un débit initial, régulé par la pression pour tenir compte de la consommation 25 de la pile. 12. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que ledit automate programmable (31) régule le débit de gaz 30 produit en fonction de la température mesurée par le capteur de température (14), en faisant varier la tension générée par le générateur de courant continu-19 (5) et appliquée aux bornes des moyens d'électrolyse (4) en fonction de la consigne de débit de gaz fournie par l'utilisateur. 13. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des 5 revendications 9 à 12, caractérisée en ce que ledit automate programmable (31) calcule le débit d'hydrogène produit en utilisant une équation de coulométrie dont la donnée d'entrée est l'intensité du courant dans lesdits moyens d'électrolyse (4). 10 14. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisée en ce qu'en outre ledit automate programmable (31) exécute en boucle la suite d'instructions suivantes : ^ début, 15 ^ prendre la mesure du niveau d'eau dans la seconde chambre (16), ^ si le niveau d'eau dans la seconde chambre (16) atteint le niveau maximum : ^ ouvrir le régulateur de pression 02 (26;1, ^ prendre la mesure de la pression dans les circuits d'extraction 02 et H2, 20 ^ si l'écart de pression entre ledit circuit d'extraction de H2 et ledit circuit d'extraction de 02 est supérieur à un seuil, ouvrir l'électrovanne (18) montée sur la conduite (30) prévue entre les deux chambres de régulation de niveau (6, 16), tout en maintenant ledit écart de façon à ce que la seconde chambre de séparation (16) se vide partiellement dans la première 25 chambre de séparation (6), ^ quand le niveau d'eau dans la seconde chambre (16) atteint le niveau minimum ou quand le niveau d'eau dans la première chambre (6) atteint le niveau maximum, fermer ladite électrovanne (18) et fermer le régulateur de pression 02 (26), 30 ^ retour au début.- 20 - 15. Installation de production d'hydrogène selon l'une des revendications 1à14, caractérisée en ce que ledit circuit d'extraction de H2 comprend : ^ une unité de purification de H2 (19) effectuant une extraction d'eau, l'eau extraite étant conduite par une canalisation (34) vers un réservoir de stockage tampon (33), puis conduite une fois dégazée dans ledit réservoir de stockage d'eau purifiée (1) par l'intermédiaire d'une canalisation (36) sur laquelle est montée un quatrième moyen de circulation (37), ladite seconde chambre (16) étant également reliée audit réservoir de stockage tampon (33) par l'intermédiaire d'une canalisation (35), ledit réservoir tampon (33) étant relié audit second moyen d'évacuation de gaz (23), ^ un moyen d'analyse des gaz (20), ^ un moyen de régulation de pression de H2 (21). 16. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 15, caractérisée en ce que les entrées et sorties dudit automate programmable (31) sont en outre reliées : ^ pour les entrées : à un capteur de niveau dudit réservoir de stockage tampon (33), ^ pour les sorties : audit quatrième moyen de circulation (37). 17. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un circuit de 25 refroidissement/réchauffage dans lequel circule un fluide caloporteur, ledit circuit comportant : un premier échangeur de calories (42) placé entre la sortie d'eau de ladite première chambre (6) et l'alimentation en eau des moyens d'électrolyse de l'eau (4), de façon à échanger des calories entre l'eau d'alimentation 30 des moyens d'électrolyse (4) et le fluide caloporteur, un moyen de circulation du fluide caloporteur (41),-21- une première vanne trois voies (44), un second échangeur de calories (40) en contact avec une source froide, un troisième échangeur de calories (43) accolé au générateur de courant (5), considéré comme source chaude, une seconde vanne trois voies (45), ledit fluide caloporteur circulant selon la position desdites vannes (44, 45) soit dans le premier échangeur (40) de façon à échanger des calories avec la source froide et à refroidir l'eau d'alimentation des moyens d'électrolyse, soit dans le troisième échangeur (43) de façon à échanger des calories avec le générateur (5) et à réchauffer l'eau d'alimentation des moyens d'électrolyse. 18. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 17, caractérisée en ce que les sorties dudit automate programmable (31) sont en outre reliées audit moyen de circulation (41) du fluide caloporteur et auxdites première et seconde vannes trois voies (44, 45).
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| FR2927907B1 (fr) | 2010-09-03 |
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