FR2949479A1 - Installation de production d'hydrogene amelioree - Google Patents

Abstract

Une installation de production d'hydrogène comporte : - un circuit d'alimentation d'eau purifiée, - une cellule d'électrolyse agencée pour électrolyser de l'eau reçue en entrée en séparant en sortie un mélange eau-O2 d'une part, et un mélange eau-H2 d'autre part, - une première chambre (6) adaptée pour séparer un mélange eau-O2, reliée en entrée audit circuit d'alimentation d'eau purifiée et à la sortie du mélange eau-O2 de ladite cellule, et reliée en sortie à un circuit d'extraction pour l'O2 et à une entrée de ladite cellule pour l'eau, - une seconde chambre (16) adaptée pour séparer un mélange eau-H2, reliée en entrée à la sortie du mélange eau-H2 de ladite cellule, et reliée en sortie à un circuit d'extraction pour l'H2 et à une entrée de la cellule pour l'eau, - une canalisation (33) reliant les première et seconde chambres, comprenant une électrovanne (34) propre à commander un transfert d'eau de la seconde chambre (16) vers la première chambre (6) pour réaliser une régulation du niveau d'eau entre celles-ci, et - un dispositif de recombinaison (35) agencé dans ladite canalisation (33) et adapté pour éliminer sensiblement toute trace d'H2 dans l'eau issue de la seconde chambre (16) avant la première chambre (6).

Description

CETH 1 .FRD

Installation de production d'hydrogène améliorée

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.

10 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'un vecteur énergétique facilement stockable, contrairement à l'électricité, et son oxydation dégage une énergie 15 très importante (285 kJ/mole).

On connaît plusieurs façons de produire de 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 20 reformage du méthane et d'hydrocarbures.

On connaît trois grands types d'électrolyseurs pour l'électrolyse de 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, 25 - les électrolyseurs à haute température, dont l'électrolyte est une céramique ; cette technologie n'en est qu'au stade du démonstrateur, - les électrolyseurs à membrane, dont l'électrolyte est une membrane échangeuse d'ions à conduction protonique.

30 Les électrolyseurs à membrane PEM (Proton Exchange Membrane) présentent de nombreux avantages, notamment :5 - 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, - la possibilité de fonctionner à des densités de courant élevées - 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 toute la plage de débit de l'électrolyseur.

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 nécessitent d'incorporer des systèmes de purification de l'eau, à résine ou autre, avant de pouvoir électrolyser l'eau.

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 25 purifiée et donc à récupérer et à recycler toute l'eau possible.

Néanmoins, le recyclage de cette eau peut poser des problèmes liés. En effet, le recyclage de l'eau peut amener la présence simultanée d'H2 et d'O2, qui peuvent se recombiner en un mélange détonant qui serait dangereux pour l'installation et son 30 environnement. À cet effet, l'invention propose une installation de production d'hydrogène, comprenant

- un circuit d'alimentation d'eau purifiée, - une cellule d'électrolyse agencée pour électrolyser de l'eau reçue en entrée en séparant en sortie un mélange eau-02 d'une part, et un mélange eau-H2 d'autre part, - une première chambre adaptée pour séparer un mélange eau-02, reliée en entrée audit circuit d'alimentation d'eau purifiée et à la sortie du mélange eau-02 de ladite cellule, et reliée en sortie à un circuit d'extraction pour 1'02 et à une entrée de ladite cellule pour l'eau, - une seconde chambre adaptée pour séparer un mélange eau-H2, reliée en entrée à la sortie du mélange eau-H2 de ladite cellule, et reliée en sortie à un circuit d'extraction pour l'H2 et à une entrée de la cellule pour l'eau, - une canalisation reliant les première et seconde chambres, comprenant une électrovanne propre à commander un transfert d'eau de la seconde chambre vers la première chambre pour réaliser une régulation du niveau d'eau entre celles-ci, et - un dispositif de recombinaison agencé dans ladite canalisation et adapté pour éliminer sensiblement toute trace d'H2 dans l'eau issue de la seconde chambre avant la première chambre.

En pratique, les moyens d'électrolyse de l'eau peuvent consister en un empilement de plusieurs cellules électrochimiques 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 peut comporter 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 première chambre, le purificateur d'oxygène et le réservoir de stockage 30 d'eau pure, - entre la seconde chambre, le purificateur d'hydrogène et le réservoir de stockage d'eau pure.

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, le dispositif de recombinaison assurant la sécurité de l'installation.

Les première et deuxième chambres 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. 10 Avantageusement, l'invention propose d'utiliser comme première et seconde chambres 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 ; 15 - ceci permet de concevoir une installation elle-même très compacte.

Ces régulateurs de niveau délivrent en permanence 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.

25 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, utilisant le fait qu'on utilise des régulateurs de niveau pour remplir cette fonction de séparation.

30 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 20 d'alimentation en eau des moyens d'électrolyse permet de vérifier en continu le degré de pureté de l'eau.

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 ou bien un échangeur de chaleur couplé à un groupe froid.

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 30 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...).

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, 25 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 d'une succession de phases, par exemple : - Préparation au démarrage, 30 - Polarisation de l'électrolyseur, - Démarrage de l'électrolyse, - Purge, - Pause, - Production, - Pause, - Arrêt général.

Au cours de la phase de production, l'automate programmable exécute notamment les algorithmes suivants : 1) Régulation de la pression et du niveau d'eau, notamment dans le circuit H2. 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 quasiéquipression. Cet algorithme est décrit plus bas.

2) Adaptation de la consigne de tension aux bornes du stack en fonction de la 20 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 25 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 30 débit calculé par une équation de coulométrie est bien plus précis que la mesure des capteurs. 7 Ainsi le débit d'hydrogène produit est calculé par l'automate programmable à l'aide de la formule suivante : D = À * 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 , À est le courant qui traverse de stack en ampères, e est la charge de l'électron (1,6 10-19 Coulomb), Nv est le nombre d'Avogadro (6,02 1023), VO est le volume d'une mole en Nl (22,4 litres). À 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 S/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 S/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 30 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 des calories d'un groupe chaud, par exemple en prévoyant des échangeurs de calories sur le circuit d'alimentation en eau.

10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels : - les figures 1 et 2 représentent des schémas fonctionnels d'une installation fonctionnant à basse pression utilisant un stack dont les deux compartiments travaillent en 15 équipression (figure la) et fonctionnant à haute pression utilisant un stack dont les deux compartiments travaillent en équipression (figure lb) ; - les figures 3 et 4 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) ; 20 - la figure 5 est une représentation schématique d'une chambre de l'une des installations des figures 1 à 4, - les figures 6 et 7 sont des représentations schématiques d'éléments d'un dispositif de recombinaison pouvant être utilisé dans l'une des installations des figures 1 à 4, et - la figure 8 est un organigramme de la fonction de régulation du niveau d'eau dans la 25 première chambre et la deuxième chambre.

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. 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 30 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 moyen de circulation 8, par exemple une pompe de relevage, et une électrovanne 9.

L'électrovanne 9 et la pompe de relevage 8 sont actionnées pour alimenter en eau le stack d'électrolyse 4 par l'intermédiaire d'une première chambre 6 quand le niveau d'eau dans cette chambre 6 atteint un niveau minimum.

Dans l'exemple décrit ici, le stack 4 comprend un ou plusieurs électrolyseurs à 10 membrane PEM qui sont alimentés par un générateur à courant continu 5.

Par moyen de circulation, la présente désigne tout élément propre à permettre la circulation d'un fluide d'un point à un autre. Cela inclut les pompes de tous types, et, en fonction de la position relative des éléments, la gravité.

À la sortie de la première chambre 6, le circuit comprend un premier moyen de circulation 10, une sonde de conductivité 12 placée en dérivation d'un capteur de débit 13 qui est relié à une unité de purification d'eau 11. La sortie de l'unité de purification 11 alimente le stack 4 en eau pure.

La sonde de conductivité de l'eau 12 est placée sur le circuit de retour d'eau dans la boucle 02 pour vérifier le degré de purification de l'eau, et le capteur de débit 13 est utilisé pour vérifier la présence d'un débit d'alimentation du stack 4 en eau.

25 En variante le capteur de débit 13 peut être remplacé par un débitmètre, notamment si le moyen de circulation 10 est une pompe à débit variable.

Dans l'exemple décrit ici, un capteur de température 14 est en outre placé à la sortie du mélange eau-02 du stack 4. 15 20 30 Le capteur 14 permet de mesurer la température de l'eau en sortie du stack , ce qui permet de contrôler le fonctionnement du stack 4. En variante, le capteur 14 pourrait être placé à la sortie du mélange eau- H2 du stack 4.

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 le premier moyen de circulation 10, comportant une première chambre 6 qui a pour fonction principale la séparation d'un mélange eau-10 02 qu'elle reçoit, et l'unité de purification d'eau 11, - une boucle H2 entretenue par un second moyen de circulation 15, comportant une seconde chambre 16 qui a pour fonction principale la séparation d'un mélange eau-112 qu'elle reçoit, un capteur de débit 18 pour vérifier la présence d'un débit d'alimentation du stack 4 en eau, et une unité de purification d'eau 17. 15 Ici encore, le capteur de débit 18 peut être remplacé en variante par un débitmètre, notamment si le moyen de circulation 15 est une pompe à débit variable.

Il faut comprendre que, dans le cadre de l'invention l'expression "séparation" désigne les 20 opérations nécessaires à transformer le mélange en entrée en deux sorties distinctes qui reçoivent chacune un des composants de ce mélange.

Ainsi, en entrée, dans le mélange eau-02 ou eau-H2, l'eau est sous forme liquide, et 1'02 ou l'H2 est sous forme gazeuse dont une partie peut être dissoute dans l'eau. Dans chaque chambre respective, le mélange subit alors une transformation, de telle sorte que l'on recueille à deux sorties distinctes d'une part l'eau pure, et d'autre part le gaz (02 ou H2 respectivement).

30 Comme on le verra plus bas, il est néanmoins possible que l'eau pure contienne encore du 112 à la sortie, et que l'H2 à la sortie contienne encore de l'eau. Des dispositifs de purification pour chacun de ces éléments sont prévus à cet effet. 25 Les gaz produits sont ainsi conduits vers des circuits d'extraction respectivement d'hydrogène et d'oxygène.

Le circuit d'extraction d'H2 comporte 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'unité d'analyse 20 permet de détecter une pression trop importante et entraîne alors le dégazage en H2 vers un évent 23. Cette unité représente une sécurité importante, qui est par conséquent placée sur une branche distincte de celle qui comprend le régulateur de pression 21 et la sortie d'H2 30.

L'unité d'analyse 20 peut comprendre un capteur de pression qui permet de contrôler l'efficacité de la régulation effectuée par le régulateur 21. Elle peut également comprendre un hygromètre, ainsi qu'un détecteur d'O2, pour assurer la pureté du gaz H2.

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 et permet de détecter une pression trop importante en aval de l'électrolyseur.

Le circuit d'extraction d'O2 comporte une unité de purification 24 pour éliminer 25 l'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.

L'unité d'analyse 25 permet de détecter une pression trop importante et entraîne alors le dégazage en 02 vers un évent 27. Cette unité représente une sécurité importante, qui est 30 par conséquent placée sur une branche distincte de celle qui comprend le régulateur de pression 26 et la sortie d'O2 29.

L'unité d'analyse 25 peut comprendre un capteur de pression qui permet de contrôler l'efficacité de la régulation effectuée par le régulateur 26. Elle peut également comprendre un hygromètre, ainsi qu'un détecteur d'H2, pour assurer la pureté du gaz 02. En variante, les unités d'analyse 20 et 25 pourraient être incluses dans les branches des régulateurs 21 et 26. Dans ce cas, le régulateur et l'unité d'analyse peuvent être interchangés dans chaque branche.

10 L'eau condensée issue des purificateurs 19 et 24 est conduite vers le réservoir de stockage 1 respectivement par des canalisations 31 et 32 grâce à des moyens de circulation non représentés.

La première chambre 6 et la seconde chambre 16 sont respectivement reliées aux évents 15 oxygène 27 et hydrogène 23, par exemple par des soupapes de sécurité, de façon à relâcher du gaz en cas de surpression, ou sur commande respectivement des unités d'analyse 25 et 20.

En variante, les soupapes de sécurité peuvent être remplacées ou complétées par une 20 électrovanne. Cela permet une décompression rapide sur commande de l'automate, ou directement de l'unité d'analyse 25 ou 20.

Une canalisation 33 relie la première chambre 6 et la seconde chambre 16. La circulation dans la canalisation 33 est commandée par une électrovanne 34, elle permet 25 de réguler le niveau d'eau dans la seconde chambre 16 en évacuant de l'eau vers la première chambre 6.

Cependant, cette eau est susceptible de contenir une quantité plus ou moins importante d'H2. Cette quantité est d'autant plus importante que la pression de fonctionnement est 30 élevée.5 Or, la première chambre 6 reçoit une eau qui contient de 1'02. Par conséquent, il existe un risque à introduire l'eau issue de la seconde chambre 16 dans la première chambre 6.

Ce risque est notamment que l'H2 et l'O2 se recombine en un mélange détonnant 5 extrêmement dangereux pour l'installation et son environnement.

Pour prévenir ce risque, un dispositif de recombinaison 35 est disposé dans la canalisation 33 pour réduire la teneur en H2 de l'eau tirée de la seconde chambre 16. Le dispositif de recombinaison 35 vient catalyser la recombinaison du H2 en H20, de sorte 10 qu'avant d'entrer dans la première chambre 6, il y a moins de 112, idéalement plus ou presque plus.

L'installation peut en outre comporter une unité de contrôle/commande comprenant un automate programmable 36 connecté à des moyens d'affichage et de saisie 37. Les 15 entrées de l'automate programmable 36 sont reliées : - aux capteurs de niveau respectivement de la première chambre 6 et de la seconde chambre 16, - au capteur de niveau du réservoir de stockage d'eau pure 1, - aux régulateurs de pression 21 et 26, 20 - au capteur de pression H2 22, - au capteur de température 14, - à la sonde de conductivité 12, - aux unités de purification 19 et 24, - aux unités d'analyse 20 et 25, 25 - aux capteurs de débit d'eau 13 et 18, - au générateur de courant 5, - au stack d'électrolyse 4.

Les sorties de l'automate programmable 31 sont reliées : 30 - aux pompes de relevage 8 et de circulation 10 et 15, - aux électrovannes 9 et 34, - aux régulateurs de pression 21 et 26, - au générateur de courant continu 5, - aux unités de purification 19 et 24 - aux unités d'analyse 20 et 25, - aux moyens de sécurité des lignes d'évent 02 et H2. La figure 2 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 10 pressions plus importantes, par exemple 50 bars.

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. Elle peut également être utilisée pour inerter l'installation sur commande des unités d'analyse 20 et 25.

Comme dans la variante basse pression, l'installation peut être pilotée par une unité de contrôle/commande, comprenant un automate programmable 36 et des moyens d'affichage et de saisie 37. L'automate programmable peut également commander l'électrovanne 38 sur l'alimentation en gaz sous pression.

Dans la variante représentée sur les figures 3 et 4 (qui correspondent respectivement aux figures 1 et 2), l'installation comporte en outre au moins un échangeur de calories 42 entre la sortie d'eau de la première chambre 6 et l'alimentation du stack 4.

30 Cet échangeur peut servir à refroidir l'eau grâce à un fluide caloporteur circulant dans un circuit de refroidissement, représenté en trait interrompus, en fonction de la température mesurée par exemple par le capteur de température 14. 15 20 25 Dans la fonction refroidissement, le fluide caloporteur circule grâce à un 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. Le second échangeur 40 peut être un échangeur air/liquide ou liquide/liquide, de façon à évacuer les calories en excédent.

D'une manière avantageuse il est possible de récupérer tout ou partie de ces calories pour réchauffer l'eau contenue dans le réservoir de stockage 1 via un échangeur de 10 chaleur 45 pouvant être situé dans le réservoir de stockage 1 ou en dehors de celui-ci.

Ces calories peuvent également être récupérées ailleurs en fonction du placement de l'échangeur 45, par exemple au niveau du relevage 8 ou en aval de celui-ci.

15 Des électrovannes 43 et 44 permettent de diriger le fluide caloporteur soit vers l'échangeur 45 soit directement vers l'échangeur 40.

Les électrovannes 43 et 44 et la pompe 41 sont bien sûr reliés aux sorties de l'automate programmable 36, les capteurs de température 14 et 46 étant relié à une entrée de 20 l'automate programmable 36. De même, l'échangeur 40 peut être relié à une sortie de l'automate afin de contrôler la puissance de l'échange.

Dans cet exemple, en fonction de la température mesurée dans le réservoir de stockage par un capteur de température 46, l'automate actionne les électrovannes de manière à ce 25 que la température de l'eau contenue dans le réservoir 1 reste comprise dans une plage de température proche de la température de fonctionnement de l'électrolyseur.

Ce système de préchauffage a pour avantage de limiter les fluctuations thermiques liées à l'injection d'eau par exemple à température ambiante provenant du réservoir 1 dans la 30 première chambre 6 qui est à la température de fonctionnement de l'électrolyseur.

En effet, l'injection d'eau d'alimentation froide dans l'électrolyseur provoque une chute transitoire de la température de fonctionnement dont l'amplitude varie en fonction de la quantité et de la température de l'eau injectée.

Or une diminution de la température engendre une augmentation de la tension d'électrolyse (E) et de la tension enthalpique (V) ce qui implique une diminution du rendement d' électrolyse.

En pratique, à tension d'alimentation constante, la quantité de courant traversant le 10 stack et donc la production d'hydrogène diminue.

Dans le cas d'un fonctionnement à débit constant, il est nécessaire de garder une densité de courant constante et donc d'augmenter la tension d'alimentation ce qui se traduit par une augmentation de la consommation énergétique du système jusqu'à ce que la 15 température de fonctionnement optimale soit de nouveau atteinte.

Ce réchauffement préalable est donc bénéfique car il permet de refroidir efficacement le stack 4 tout en améliorant le rendement, ce qui représente une utilisation optimale des calories perdues par effet Joule au niveau de l'électrolyseur. Cela a comme autre avantage de stabiliser le fonctionnement du stack 4 sous une pression et une température essentiellement stables, ce qui est bénéfique pour la recombinaison catalytique.

25 La figure 5 représente schématiquement les chambres utilisées pour réaliser la séparation eau-02 et eau-H2.

Cette séparation est, comme on l'a vu plus haut, une opération qui vise à récupérer séparément l'eau pure liquide d'un côté, et le gaz de l'autre. 20 30 Pour cela, les chambres 6 et 16 reposent principalement sur l'effet de la gravité. Ainsi, une chambre comprend un corps 50 de forme générale quasi cylindrique placé de manière verticale dans l'installation.

Dans la figure représentée ici, le cylindre est plus haut que large, car le débit n'est pas trop important. Dans des variantes à haut débit, le corps 50 peut prendre une forme plus large que haute. Ce qui compte, c'est la disposition des entrées et sorties pour réaliser la séparation par gravité.

Le corps 50 comporte une première entrée 52 pour le mélange eau+02 ou eau+H2 disposée dans une partie haute du corps. Ainsi, le mélange "tombe" dans le corps et la séparation liquide/gaz est réalisée par gravité.

Le corps 50 comporte également une deuxième entrée 54 et une troisième entrée 56. Dans le cas de la première chambre 6, la deuxième entrée 54 permet de recevoir l'eau issue de la seconde chambre 16 et/ou le gaz inerte, et la troisième entrée 56 permet de recevoir l'eau issue du relevage 8.

20 Dans le cas de la seconde chambre 16, la deuxième entrée 54 est utilisée comme sortie vers la canalisation 33, et la troisième entrée 56 permet de recevoir le gaz inerte.

Pour les deux chambres, le corps comporte une première sortie 58 pour le gaz reliée aux circuits d'extraction respectifs, et une deuxième sortie 60 pour l'eau à recycler dans 25 l'alimentation du stack 4.

Le corps 50 présente enfin un premier évidement 62 et un deuxième évidement 64, disposés respectivement légèrement sous le niveau de la première entrée 52 et légèrement au dessus du niveau de la deuxième entrée 54, qui peuvent recevoir des 30 capteurs de niveau respectifs pour déterminer le niveau de liquide haut et bas dans la chambre.15 La figure 6 représente un filtre qui peut être utilisé pour réaliser le dispositif de recombinaison 35. Le filtre comporte un anneau périphérique 66 en acier agencé pour être logée dans la canalisation 33.

L'anneau périphérique 66 loge sensiblement en son centre un disque 68 par exemple un filtre sur lequel est déposé un catalyseur, par exemple du noir de platine, qui est destiné à catalyser la réaction de recombinaison d'H2 contenu dans de l'eau qui le traverse.

Le filtre 35 peut être disposé en amont ou en aval de l'électrovanne 34, et présente en outre une porosité calculée pour entraîner une perte de charge pour l'eau qui le traverse. Cette perte de charge permet d'augmenter le temps de trajet dans la canalisation 33, et donc la quantité d'H2 qui est recombiné en eau pure.

La figure 7 représente un complément pour le filtre 35. En effet, il peut être compliqué 15 de maîtriser la porosité du filtre 35 et/ou d'obtenir une perte de charge suffisante.

Une vanne à ouverture variable 70, par exemple une vanne à aiguille peut alors être utilisée en complément.

20 L'ouverture est ajustée par un petit moteur électrique pas à pas. On adapte ainsi la perte de charge à la différence de pression.

Enfin, en variante des figures 6 et 7, le dispositif de recombinaison 35 peut être réalisé sous la forme d'un réservoir introduit dans la canalisation 33, dont les parois sont 25 recouvertes de noir de platine, et dont la forme et le volume sont adaptés pour provoquer la perte de charge voulue.

Afin de réduire encore la quantité d'H2 au niveau de la première chambre 6, des boucles de recirculation à travers le dispositif de recombinaison 35 peuvent également être 30 prévues en aval de ce dernier.

La figure 8 détaille l'algorithme de régulation de niveau et de pression dans la seconde chambre 16.

Les niveaux d'eau dans les chambres 6 et 16 ainsi que les pressions dans les circuits H2 5 et 02 sont mesurés en permanence.

Lorsque le niveau de l'eau atteint le niveau maximum dans la seconde chambre 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 10 02.

Quand cet écart est suffisant, en pratique quand il atteint 0,2 bar, l'électrovanne 34 sur la conduite 33 entre les chambres 6 et 16 est ouverte pour que de l'eau passe de la chambre 16 vers la chambre 6, tout en maintenant ledit écart de façon à ce que la 15 seconde chambre 16 se vide partiellement dans la première chambre 6.

L'électrovanne 34 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 la première chambre 6, 20 - l'eau atteint le niveau minimum dans la seconde chambre 16.

Cette fermeture n'est pas nécessairement totale: elle vise à faire remonter la pression au niveau de la chambre respective.

25 L'invention décrite dans la présente ne saurait être limitée aux seuls exemples de réalisation décrits. Elle englobe tous les équivalents que l'homme du métier saura envisager.

En outre, la Demanderesse a décrit un certain nombre de variantes qui peuvent être 30 combinées entre elles. La divulgation de la présente porte donc sur toutes les combinaisons de ces variantes entre elles, et pas seulement sur la juxtaposition des variantes décrites.

Claims (10)

1. Revendications1. Installation de production d'hydrogène, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un circuit d'alimentation d'eau purifiée, - une cellule d'électrolyse agencée pour électrolyser de l'eau reçue en entrée en séparant en sortie un mélange eau-02 d'une part, et un mélange eau-H2 d'autre part, - une première chambre (6) adaptée pour séparer un mélange eau-02, reliée en entrée audit circuit d'alimentation d'eau purifiée et à la sortie du mélange eau-02 de ladite cellule, et reliée en sortie à un circuit d'extraction pour 1'02 et à une entrée de ladite cellule pour l'eau, - une seconde chambre (16) adaptée pour séparer un mélange eau-H2, reliée en entrée à la sortie du mélange eau-H2 de ladite cellule, et reliée en sortie à un circuit d'extraction pour l'H2 et à une entrée de la cellule pour l'eau, - une canalisation (33) reliant les première et seconde chambres, comprenant une électrovanne (34) propre à commander un transfert d'eau de la seconde chambre (16) vers la première chambre (6) pour réaliser une régulation du niveau d'eau entre celles-ci, et - un dispositif de recombinaison (35) agencé dans ladite canalisation (33) et adapté pour éliminer sensiblement toute trace d'H2 dans l'eau issue de la seconde chambre (16) 20 avant la première chambre (6).
2. 2. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de recombinaison (35) comporte un catalyseur de recombinaison d'H2 en eau, et ce que le dispositif de recombinaison (35) est en outre adapté pour créer une perte de 25 charge dans la canalisation (33).
3. 3. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite cellule d'électrolyse (4) comporte au moins une membrane PEM (Proton Exchange Membrane).
4. 4. Installation de production d'hydrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit circuit d'alimentation d'eau purifiée est branché sur un 22 30 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 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 (6).
5. 5. Installation de production d'hydrogène selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la première chambre (6) est reliée à un circuit d'extraction d'O2 qui comprend : - une unité de purification d'O2 (24) effectuant une extraction d'eau, l'eau extraite étant 10 réinjectée dans ledit réservoir de stockage d'eau purifiée (1) par une canalisation (31), - un moyen d'analyse des gaz (25), - un moyen de régulation de pression d'O2 (26), et - un premier moyen d'évacuation de gaz (27) pour faire baisser la pression en relâchant de l'O2 en cas de surpression dans ledit circuit d'extraction d'O2 15
6. 6. Installation de production d'hydrogène selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde chambre (16) est reliée à un circuit d'extraction d'H2 comprend : - une unité de purification d'H2 (19) effectuant une extraction d'eau, l'eau extraite étant 20 réinjectée dans ledit réservoir de stockage d'eau purifiée (1) par une canalisation (32), - un moyen d'analyse des gaz (20), - un moyen de régulation de pression de H2 (21), et - 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 25
7. 7. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 6, comportant en outre une unité de contrôle/commande, comprenant : - un automate programmable (36) conçu pour piloter le fonctionnement de ladite installation en exécutant une suite d'instructions mémorisées dans un de ses 30 composants, dont les entrées sont reliées auxdites première et seconde chambres (6, 16), à un capteur de niveau du réservoir de stockage d'eau pure (1), auxdits régulateurs de pression (21, 26), à ladite cellule d'électrolyse (4), à un capteur de conductivité (12) et à un capteur de débit (13) montés en entrée de ladite cellule d'électrolyse (4), auxdits moyens d'analyse des gaz (20, 25), audit capteur de pression H2 (22), auxdites unités de purification des gaz (19, 24), à un générateur de courant (5) qui alimente ladite cellule d'électrolyse (4), à un capteur de température (14) disposé en sortie de ladite cellule d'électrolyse (4), et dont les sorties sont reliées à un moyen de circulation (8), auxdites électrovannes (9, 34), audit générateur de courant continu (5), auxdits régulateurs de pression (21, 26), auxdites unités de purification (19, 24), et - des moyens d'affichage et de saisie (3), connectés audit automate programmable (36).
8. 8. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 7, dans laquelle ledit module de contrôle/commande est conçu pour piloter le fonctionnement de ladite installation selon une pluralité de modes possibles de fonctionnement comprenant : - 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, indépendamment de l'utilisation de l'hydrogène et/ou de l'oxygène produit, ou - un mode stockage d'hydrogène, dans lequel ladite installation alimente un 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 - un mode consommation d'hydrogène, dans lequel ladite installation alimente un 20 moyen de consommation d'hydrogène et la donnée de consigne est un débit initial, régulé par la pression pour tenir compte de la consommation d'une pile.
9. 9. Installation de production d'hydrogène selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle ledit automate programmable (36) régule le débit de gaz produit en fonction de la 25 température mesurée par le capteur de température (14), en faisant varier la tension générée par le générateur de courant continu (5) et appliquée aux bornes de ladite cellule d'électrolyse (4) en fonction de la consigne de débit de gaz fournie par l'utilisateur. 30
10. 10. Installation de production d'hydrogène selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle ledit automate programmable (36) exécute en boucle la suite d'instructions suivantes : a. prendre la mesure du niveau d'eau dans la seconde chambre (16), b. si le niveau d'eau dans la seconde chambre (16) atteint le niveau maximum : c. ouvrir le régulateur de pression d'O2 (26), d. prendre la mesure de la pression dans les circuits d'extraction d'O2 et d'H2, e. si l'écart de pression entre ledit circuit d'extraction d'H2 et ledit circuit d'extraction d'O2 est supérieur à un seuil, ouvrir l'électrovanne (34) montée sur la conduite (33) prévue entre les première et seconde chambres (6, 16), tout en maintenant ledit écart de façon à ce que la seconde chambre (16) se vide partiellement dans la première chambre (6), f. quand le niveau d'eau dans la seconde chambre (16) atteint un niveau minimum ou quand le niveau d'eau dans la première chambre (6) atteint un niveau maximum, fermer ladite électrovanne (34) et le régulateur de pression d'O2 (26), répéter à partir de a.