FR2960560A1 - Installation de production d'hydrogene a haute disponibilite par electrolyse d'eau. - Google Patents

Abstract

Une installation de production d'hydrogène comprend : - M modules de production d'hydrogène (88-90) comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse (10), - une pluralité d'alimentations électriques (60), chacune reliée à un module (48-88-90) qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité, Certaines au moins des alimentations électriques sont dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal.

Description

CETH2PI.FRD 1 Installation de production d'hydrogène à haute disponibilité par électrolyse d'eau L'invention concerne la production d'hydrogène par électrolyse d'eau.

L'hydrogène est utilisé dans de nombreux domaines, parmi lesquels on compte la synthèse de produits chimiques, les piles à combustible, le dopage du gaz naturel, le stockage d'énergie pour générateurs électriques intermittents, le refroidissement de gros alternateurs, etc. L'oxygène est généralement un co-produit.

Typiquement, il est courant que ces installations soient prévues pour fournir des débits conséquents, de l'ordre de 100 Nm3/h, ce qui nécessite l'utilisation de plusieurs centaines de cellules d'électrolyse. Il est également important que ces installations puissent rapidement répondre à toute exigence de production, et qu'elles soient sans risque. Enfin, il est également crucial que ces installations soient capables de fonctionner très longtemps (plusieurs semaines de suite) d'une manière autonome, tout en assurant un maintien de la production en cas de problème.

Pour satisfaire ces applications, ces installations doivent donc avoir des capacités de production importantes, et présenter une grande flexibilité, une haute fiabilité et une 20 haute disponibilité.

Actuellement, aucune installation de production d'hydrogène ne permet de satisfaire l'ensemble de ces conditions.

25 L'invention vient améliorer la situation.

À cet effet, l'invention propose une installation de production d'hydrogène comprenant : - M modules de production d'hydrogène comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse, 30 - une pluralité d'alimentations électriques, chacune reliée à un module qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité.

Dans cette installation, certaines au moins des alimentations électriques sont 5 dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal.

Cette installation est particulièrement intéressante car elle permet de maintenir le débit d'hydrogène produit, même en cas de défaillance de l'un des modules de production 10 d'hydrogène.

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 : 15 - la figure 1 représente un schéma d'une cellule d'électrolyse à membrane PEM, - la figure 2 représente un schéma en exemple d'un module de production d'hydrogène intégrant une pluralité de cellules d'électrolyse du type de celle de la figure 1, - la figure 3a représente une vue de dessus d'un élément de la figure 2, - la figure 3b représente une vue de côté d'une partie de la figure 2, 20 - la figure 4 représente un schéma générique d'une installation de production d'hydrogène selon l'invention, - la figure 5 représente un diagramme de flux en exemple de gestion de l'installation de la figure 4, et - la figure 6 représente un exemple de mise en oeuvre d'une opération de la figure 5. 25 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.

30 La figure 1 est une représentation schématique d'une cellule 10 d'électrolyse de l'eau, à membrane PEM.

La cellule 10 est enserrée entre deux plaques bipolaires planes 12-14 en titane, installées verticales, écartées de 6 mm environ, ayant une épaisseur de 1 mm et une surface de quelques dizaines de décimètres carrés.

La cellule 10 comprend une membrane polymère PEM 16, dont les faces opposées sont couvertes d'un fin dépôt catalytique (typiquement un micron de platine). La membrane 16 présente une faible épaisseur, de l'ordre de 100 à 3001.tm, et est enserrée entre une anode 18 et une cathode 20. L'anode 18 et la cathode 20 forment deux électrodes qui sont chacune formée par un disque ou un rectangle en titane fritté perméable, présentant une épaisseur d'environ lmm.

L'espace entre l'anode 18 et la plaque 12 définit un compartiment 22, qui est représenté avec la lettre A en filigrane. L'espace entre la cathode 20 et la plaque 14 définit un compartiment 24, qui est représenté avec la lettre C en filigrane. Chacun des compartiments 22 et 24 reçoit une grille en titane référencée respectivement 26 et 28, qui présente une épaisseur de 2mm.

La cellule 10 présente une paroi externe 30 qui est souple. Deux paires de conduits rectilignes sont aménagées dans les parties haute et basse de la paroi 30 et des deux plaques bipolaires 12-14 de la cellule 10, chaque conduit ayant de 2 à 3mm de diamètre - en bas, une paire 32-34 de distributeurs d'eau, et - en haut, une paire 36-38 de collecteurs des mélanges eau+gaz produits par la cellule 10.

Les conduits bas 32-34 sont raccordés aux compartiments 22-24 par deux passages 40-42, et les conduits hauts 36-38 sont raccordés à ces mêmes compartiments par deux autres passages 44-46.

Dans le cas de cellules d'électrolyse à électrolyte liquide, acide ou alcalin, l'architecture est proche de celle de la cellule à membrane PEM de la figure 1.

Les principales différences sont alors que les électrodes et les plaques bipolaires sont communes et non pas séparées, que les dépôts catalytiques sont faits sur les électrodes et non pas sur la membrane, qu'un diaphragme ou une céramique mince remplace la membrane PEM, et que des grilles isolantes remplacent les grilles en titane. En revanche, les conduits distributeurs de liquide et les conduits collecteurs de mélanges liquide+gaz ne changent que pour être adaptés aux dimensions.

La figure 2 est une représentation simplifiée d'un module de production d'hydrogène 48. Dans l'exemple décrit ici, le module 48 comprend quinze cellules d'électrolyse 10 à 10 membranes PEM, réparties en trois groupes 501.3 comprenant chacun cinq cellules.

Cependant, le nombre de ces éléments peut varier, et dans la suite : - la lettre N est utilisée pour représenter le nombre total de cellules d'électrolyse dans un module de production d'hydrogène, 15 - la lettre P est utilisée pour représenter le nombre de groupes de cellules dans un module de production d'hydrogène, et - la lettre Q est utilisée pour représenter le nombre de cellules dans un groupe de cellules donné.

20 Chacune des cellules d'un groupe donné est reliée à une cellule voisine par une plaque bipolaire interne 521.4. Dans l'exemple décrit ici, comme chaque groupe comprend 5 cellules d'électrolyse, il y a quatre plaques bipolaires internes par groupe.

Le module 48 comprend également quatre plaques bipolaires spécifiques 541_. à haute 25 conductance électrique qui sont disposées au contact des trois groupes 50i_3, de sorte que : - la plaque 541 (respectivement la plaque 544) est en contact avec la cellule d'extrémité gauche du groupe 501 (respectivement la cellule d'extrémité droite du groupe 503), - la plaque 542 (respectivement la plaque 543) est en contact respectivement avec la 30 cellule d'extrémité droite du groupe 501 (respectivement 502) et avec la cellule d'extrémité gauche du groupe 502 (respectivement 503).

Deux brides de serrage 561.2 assurent l'assemblage de ces cellules et de ces groupes, tandis que deux bornes électriques 581.2 permettent l'alimentation électrique du module 48. Un générateur électrique 60, alimenté par le secteur et comprenant un variateur de tension 62 et un transducteur de courant 63, est raccordé aux bornes 581.2 au moyen de deux conducteurs 641.2. Dans l'exemple décrit ici, les conducteurs 641.2 présentent une section importante de l'ordre de 300mm2.

Le module 48 comprend également un multiplexeur 66, dont les entrées sont reliées respectivement à chacune des plaques bipolaires internes 52 et spécifiques 54 et des quinze cellules 10 par des conducteurs 551.16.

Le multiplexeur 66 comprend deux broches de sortie analogique, qui sont reliées par un conducteur double 68 à l'entrée d'un pilote 70. Le pilote 70 comprend un microprocesseur programmé, un interrogateur séquentiel et un convertisseur A/N. Ces éléments ne sont pas représentés par souci de simplicité. Le multiplexeur 66 est dans l'exemple décrit ici agencé pour relever les tensions entre électrodes avec une fréquence de l'ordre du kilohertz.

Dans d'autres modes de réalisation, le pilote 70 pourra être un circuit électronique spécialisé, par exemple du type ASIC ou FPGA, une carte fille spécialisée reliée à un ordinateur, un programme mis en oeuvre par un ordinateur, ou encore un programme géré de manière distante et/ou répartie sur des ordinateurs.

Les quatre plaques bipolaires spécifiques 541.4 peuvent être reliées à leur plaque bipolaire spécifique voisine immédiate par trois relais de court-circuit 721.3. Le pilote 70 est adapté à émettre des signaux sélectifs de commande de ces relais de court-circuit 72 et du variateur de tension 62, par des liaisons 741.3 et 761.2 prévues à cet effet.

Les figures 3a et 3b représentent les plaques bipolaires spécifiques 541.4. La figure 3a 30 est une vue de face d'une plaque bipolaire spécifique 54.

Comme on peut le voir sur cette figure, la plaque 54 est généralement circulaire et comporte deux raccords débordants 801.2 diamétralement opposés. La plaque 54 présente une surface de quelques dizaines de décimètres carrés.

Comme cela a été présenté en rapport avec la figure 2, les raccords 80 permettent de fixer les moyens de court-circuit entre deux plaques 54 voisines, tout en maintenant une distribution satisfaisante des courants électriques dans ces plaques.

Les plaques 54 sont généralement de la même forme que celle des membranes PEM 10 utilisées, de sorte que lorsque ces membranes sont rectangulaires, les raccords débordants étant alors diagonalement opposés.

La figure 3b représente deux groupes 501.2 de cinq cellules 10, munis de deux lignes de relais électriques 821.2 à haute conductance électrique. Les relais 821.2 peuvent être 15 commandés de manière automatique ou manuelle. Dans l'exemple décrit ici, les deux lignes de relais 821.2 sont des pièces intermédiaires de taille généralement petite par rapport à celle des plaques 52 et 54.

Les relais 821.2 sont réalisés en forme de T avec un pied pourvu d'un connecteur 20 approprié du commerce qui sert à les fixer de manière transversale aux raccords débordants 801.2. Les barrettes de ces T forment ainsi deux alignements rectilignes perpendiculaires aux plaques bipolaires.

Les extrémités des barrettes sont biseautées, de telle manière qu'elles s'évasent dans une 25 direction dirigée vers le pied du T. Chaque barrette mesure 30mm environ, et est ainsi moins large que ne le sont les groupes 501.3. Entre deux barrettes successives, il existe donc un espace de quelques millimètres qui est délimité par les parois biseautées des barrettes respectives.

30 Des chevilles 841.2 à haute conductance électrique sont introduites dans cet espace. La cheville 84 présente des bords obliques correspondant aux extrémités obliques des barrettes, ce qui permet de guider leur introduction et d'augmenter la surface de contact électrique. Ainsi, le relais 721 est fermé. Des chevilles 851.2 sont également représentées, qui sont dégagées des espaces. Dans ce cas, le relais 722 est ouvert.

Lorsque les relais 72 sont à commande manuelle, les chevilles 84-85 sont munies de moyens manuels appropriés, qui ne sont pas représentés. Lorsque ces relais 72 sont à commande automatique, un ressort de rappel et un actionneur électromécanique non représentés sont associés à chacune des chevilles 84 et 85, pour permettre de déplacer en translation ou de basculer ces chevilles.

La figure 4 est une représentation schématique d'une installation de production d'hydrogène 86 selon l'invention. Comme cela apparaîtra dans ce qui suit, cette installation est capable de générer de l'hydrogène avec un fort débit, tout en présentant une grande flexibilité, une haute fiabilité et une haute disponibilité.

Afin de ne pas surcharger la figure, seuls les éléments de l'installation qui concernent directement l'invention sont représentés. Les dispositifs usuels de contrôle visuel, de sécurité, de ventilation, de purge et de mise sous pression d'un électrolyseur générateur d'hydrogène sont notamment absents de cette figure 4.

Dans l'exemple décrit ici, l'installation 86 comprend vingt modules de production d'hydrogène comprenant chacun soixante cellules d'électrolyse. Dans l'exemple décrit ici, les modules sont du type de ceux représentés sur la figure 2, avec des cellules d'électrolyse à membrane PEM du type de celles représentée sur la figure 1. Il faut noter que le nombre de modules peut varier, et dans la suite la lettre M est utilisée pour représenter le nombre total de modules d'une installation donnée.

Sur la figure 4, seuls deux modules 88 (référencé Ml) et 90 (référencé M2) sont représentés. Cependant, ce qui est écrit en rapport à ces modules s'applique à tous les modules de l'installation 86. Comme décrit avec la figure 2, les modules 88-90 sont tous les deux reliés par le conducteur 68 au pilote 70. 5 10 15 20 25 Un conducteur 92 relie au pilote 70 une sonde de température 94 immergée dans le conduit collecteur 36 des compartiments d'anode des cellules de chaque module. Ces vingt modules 88-90 sont répartis en deux groupes fonctionnels, un premier groupe de dix sept modules et un second groupe de trois modules.

Comme cela apparaît sur la figure 4, l'installation 86 comprend une unité de traitement de fluides 85 à laquelle sont reliés tous les modules de l'installation 86. L'installation 86 comporte également un dispositif purificateur d'eau 96, alimenté par l'eau de ville, et raccordé à un réservoir d'eau pure 98.

La sortie du réservoir d'eau pure 98 est reliée, à travers une pompe de relevage 100 à fonctionnement automatique intermittent, et deux électrovannes 102 à commande automatique, aux entrées basses 104 de chambres 106 de séparation eau+02 respectivement associées aux modules.

Une sonde de conductivité 107, un capteur de débit de liquide 109, une pompe de circulation 110, un régulateur thermique 112 relient une première sortie basse 108 de chacune des chambres 106 au conduit distributeur d'eau 32 qui alimente les compartiments d'anode 22 des cellules 10 des modules.

Chaque chambre 106 de séparation eau+02 est également équipée d'un capteur 114 relié au pilote 70 et adapté à émettre un signal représentatif du niveau d'eau dans cette chambre. Dans l'exemple décrit ici, ce signal décrit trois états de niveau d'eau : trop haut, normal, trop bas.

Les conduits 36-38 collecteurs du mélange eau+02 et eau+H2 produit par les cellules des modules 88-90 sont respectivement raccordés, par deux tuyaux 87-89, à une entrée haute 116 de chacune des chambres 106, ainsi qu'à une entrée haute 118 de chambres de séparation 120 du mélange eau+H2. 30 Un capteur de débit 123, une pompe de circulation 124 et un tuyau calorifugé 84 relient une première sortie basse 122 de chacune des chambres 120 au conduit distributeur d'eau 34 des compartiments de cathode 24 des cellules des modules 88-90.

Les chambres de séparation 120 ont chacune une seconde sortie basse 128. Les sorties basses 128 sont chacune reliées à une seconde entrée basse 126 des chambres 106, à travers une électrovanne 130 à commande automatique, pour y assurer une uniformité de niveaux d'eau.

Pour accomplir cela, un capteur de niveau 132 relié au pilote 70 est associé à chaque chambre de séparation 120. Les M paires de chambres de séparation 106-120 des mélanges eau+gaz ont chacune une sortie haute 133-134, qui sont respectivement reliées aux M entrées d'un collecteur général 136 d'oxygène et aux M entrées d'un collecteur général 138 d'hydrogène.

Les sorties de ces collecteurs généraux débouchent sur les équipements d'exploitation de ces gaz. Des réservoirs de stockage d'oxygène 137a et leurs électrovannes associées 137b sont associés au collecteur d'oxygène 136, et des réservoirs d'hydrogène 139a et leurs électrovannes associées 139b sont associés au collecteur d'hydrogène 138.

Enfin, chacun des M modules du système électrolyseur 88-90 est équipé d'un bloc d'alimentation électrique 60, à commande automatique, doté d'un variateur de tension 62 et d'un transducteur de courant 63. Dans les applications de production d'hydrogène, les cellules d'électrolyse fonctionnent à une tension sensiblement constante de l'ordre de 2V, et le débit d'hydrogène généré est contrôlé en courant. Ainsi, plus l'alimentation transmet de courant au module, plus celui-ci produit d'hydrogène. 30 Cela est bien sûr limité par les dissipations par effet Joule, qui limitent dans la pratique la quantité de courant qui est réellement utilisable. Ainsi, l'alimentation d'un module de25 production d'hydrogène classique est dimensionnée pour correspondre à un débit nominal maximal attendu de ce module.

Les blocs d'alimentation électrique 60 de l'installation 86 sont surdimensionnés de manière volontaire par rapport au courant qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité. Dans l'exemple décrit ici, les alimentations 60 sont dimensionnées pour pouvoir fournir un courant au moins égal à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal. Avantageusement, ce ratio peut être de (100(1+K/(M-K)))%, où K est un entier compris entre 1 et M/2.

Le rendement d'une cellule d'électrolyse (typiquement 80%) est limité du fait des pertes liées aux réactions électrochimiques et aux chutes ohmiques. Cela entraîne une augmentation continue de sa température.

Dans des modules produisant moins de 1 Nm3/h, la convection naturelle suffit à maintenir la température autour de 70°C. Dans les systèmes de plus grande capacité, il est impératif de réguler la température, car celle-ci ne doit pas dépasser 90°C, sous peine de détruire certains composants (joints, membranes...).

Une température moyenne proche de 70°C est généralement considérée comme optimale, et la température du liquide alimentant le conduit distributeur de liquide des compartiments d'anode et de cathode des cellules d'un module, est régulée en conséquence et maintenue dans une plage plus basse que cette valeur, par un asservissement binaire simple (retrait de calories) ou double (retrait et apport de calories) dans les régions à grands écarts thermiques.

Dans tout équipement d'électrolyse, un fonctionnement correct nécessite que l'eau utilisée ait une pureté supérieure à un seuil minimal, que le débit de cette eau corresponde à la production d'hydrogène demandée, que le générateur électrique fournisse un courant continu adapté à cette production, et que la pression d'extraction des deux gaz produits soit conforme à celles requises par l'utilisateur.

Ces différentes exigences concernent en fait des paramètres externes aux cellules qui influencent leur mode opératoire, leurs performances et leur durée de vie. Plusieurs équipements connus ont été développés pour assurer au mieux ces différentes fonctions.

Quand ces différents paramètres externes ont leurs valeurs de consigne, les cellules d'électrolyse de type alcalin ou acide ont des plages de valeurs déterminées pour leurs paramètres internes : tension de polarisation (démarrage d'électrolyse), tension nominale de fonctionnement, tension maximale autorisée, et densités du courant d'électrolyse. Pour des cellules à électrolyte acide ou alcalin, ces plages sont les suivantes : tension de polarisation (1,48V), densités de courant extrêmes (10mA/cm2 et 3A/cm2 d'électrodes), tension opératoire nominale (environ 2 Volts), tension maximale possible (3V) et température de consigne, généralement relativement basse et comprise entre 65 et 80°C.

En pratique toutefois, les conditions optimales de fonctionnement d'un équipement électrolyseur formé par des modules de quelques dizaines de cellules d'électrolyse, en principe parfaitement alimenté en eau pure et en tension et courant électriques de bonnes valeurs, ne durent pas aussi longtemps que le souhaiterait le constructeur.

En conséquence, les tensions électriques aux bornes de cellules et/ou les températures des deux mélanges liquide+gaz produits, peuvent sortir de leurs plages de consigne. En effet, chacun des paramètres externes et internes visés plus haut peut, à un moment donné et pour des raisons diverses, ne plus être conforme à sa valeur de consigne. Cela entraîne alors généralement des déficiences locales de fonctionnement d'une ou de plusieurs cellules de l'équipement.

Dans le cas où plusieurs cellules d'un module ont un état de fonctionnement insuffisant ou dans le cas où l'une de ces cellules passe dans un état grave de mauvais fonctionnement, la production d'hydrogène diminue et peut atteindre une cote d'alerte, qui est en général assez facilement détectable, grâce à une mesure de la tension aux bornes des cellules.

Dans ce cas, le débit de production d'hydrogène du module concerné n'est plus suffisant, et la cellule ou le module concerné doit être arrêté. Le débit de l'installation n'est alors plus au niveau exigé.

En outre, plus le nombre de cellules d'un équipement électrolyseur est important, plus il est difficile de construire des équipements autonomes, susceptibles de produire de très importants débits d'hydrogène (jusqu'à quelques centaines de Nm3/h) avec une très haute fiabilité.

Par ailleurs, en cas de déficience de quelques cellules ou de quelques modules, le débit d'hydrogène de l'équipement électrolyseur diminue. Ce qui peut conduire à des situations très gênantes dans le cas où le système utilisateur de l'hydrogène produit par cet équipement nécessite un débit constant.

C'est là que le surdimensionnement des alimentations est crucial. En effet, il a été vu plus haut qu'il est possible d'éteindre sélectivement un ou plusieurs modules, et/ou de court-circuiter un ou plusieurs groupes de cellule qui ne fonctionnent pas correctement. Ainsi, le surdimensionnement des alimentations permet à dessein de faire fonctionner les modules/groupes de cellules restants en surrégime pour permettre de compenser la perte de débit d'hydrogène.

La figure 5 représente un exemple de boucle de contrôle exécutée par le pilote 70 pour assurer le maintien du débit d'hydrogène de l'installation 86.

Cette boucle de contrôle commence dans une opération 500 par un calcul des consignes de commande en courant pour chaque alimentation 60.

Comme on l'a vu plus haut, chaque alimentation 60 commande la production d'hydrogène du module auquel elle appartient. Ainsi, en fonction des paramètres courants tirés des données des capteurs, le pilote 70 calcule l'intensité nécessaire à la production d'un débit d'hydrogène recherché en sortie.

Ce calcul sera explicité avec la figure 6.

Ensuite, dans une opération 510, le pilote 70 vérifie si un problème est survenu au niveau de l'installation 86. Plus précisément, le pilote 70 reçoit des données des divers capteurs de l'installation 86 qui lui permettent de détecter si un des éléments rencontre un problème ou s'il faut agir en anticipation d'un tel problème.

10 Ces problèmes sont classifiés dans deux catégories : - "défaillance", s'il s'agit d'un problème de fonctionnement de faible importance et qui n'altère pas la capacité de fonctionnement de l'élément concerné. - "panne", s'il s'agit d'un problème grave, qui affecte de manière durable la capacité de fonctionnement de l'élément concerné. 15 Par exemple, le pilote 70 peut détecter que la tension aux bornes d'une cellule donnée est nulle. Cela représente une "panne", car cela signifie que la cellule ne fonctionne plus du tout. Cela met par ailleurs en danger le fonctionnement du groupe de cellules du module auquel appartient cette cellule.

Selon un autre exemple, le pilote 70 peut détecter une augmentation de la température d'un groupe de cellules. Cette augmentation peut être bénigne, et elle constitue une défaillance, qui peut être traitée en diminuant le débit demandé à ce groupe de cellules pour faire descendre la température.

Selon encore un autre exemple, le pilote 70 peut détecter que les tensions aux bornes des cellules d'un module donné sont trop importantes. Cette défaillance peut également être traitée pour éviter de trop solliciter le module concerné.

30 De nombreuses autres pannes et défaillances peuvent être envisagées. Ce qui différencie les défaillances des pannes, c'est que les défaillances peuvent être gérées par le pilote 70 13 20 25 en calculant une consigne adaptée, alors que les pannes nécessitent une action plus conséquente.

En outre, lorsqu'il est écrit que le pilote 70 reçoit des données et en tire des 5 informations, il faut comprendre que sont visés plusieurs modes de réalisation comprenant : - le pilote 70 reçoit des données brutes ou transformées des capteurs, et en tire directement des informations par des lois qui lui sont propres, - le pilote 70 reçoit des données d'état ou de statut des capteurs, et peut accéder à une 10 bibliothèque d'états à partir de laquelle il tire des informations, - le pilote 70 reçoit des informations qui indiquent directement le problème qui a lieu.

Si aucun problème n'est détecté, le pilote 70 reprend sa boucle de fonctionnement en 500. Sinon, le pilote 70 détermine le type du problème détecté dans une 15 opération 520.

Si le problème détecté est une défaillance, alors le pilote 70 met à jour les données d'état de l'élément correspondant dans une opération 530, puis la boucle reprend en 500 pour calculer des nouvelles données de consigne qui permettent de tenir compte de la 20 défaillance détectée.

Si le problème détecté est une panne, alors le pilote 70 détermine dans une opération 540 si cette panne concerne un module, ou un autre élément.

25 Dans le cas où la panne concerne un module, par exemple si sa production est devenue trop basse, où si ce module atteint une température trop critique qui nécessite son arrêt, alors le pilote 70 émet une commande d'arrêt dans une opération 550.

Ensuite, le pilote 70 met à jour les données d'état du module pour indiquer son arrêt 30 dans une opération 560, puis la boucle reprend en 500 pour calculer des nouvelles données de consigne qui permettent de tenir compte de cette panne.

Dans le cas où la panne ne concerne pas un module, elle concerne alors un groupe de cellules. Il s'agit par exemple d'un cas où une cellule d'un groupe ne fonctionne plus du tout, par exemple s'il est détecté que la tension à ses bornes est nulles.

Le pilote 70 émet en conséquence une commande de court-circuitage du groupe de cellules concerné dans une opération 570, en activant le relai 72 correspondant. Dans le cas où le relai est à activation manuelle, un message d'urgence est transmis à l'opérateur qui surveille l'installation 86 pour l'informer de la nécessiter de court-circuiter ce groupe de cellules.

Ensuite, le pilote 70 met à jour les données d'état du groupe de cellules pour indiquer son arrêt dans une opération 580, puis la boucle reprend en 500 pour calculer des nouvelles données de consigne qui permettent de tenir compte de cette panne.

Si une panne générale de l'installation 86 survient, un arrêt d'urgence a priorité sur toutes les opérations de la boucle décrite ici.

La figure 6 représente un exemple de mise en oeuvre du calcul des consignes pour chacun des modules de l'installation 86. Dans une opération 600, le pilote 70 reçoit des données de consigne de débit d'hydrogène pour l'installation 86. Ces données peuvent être entrées automatiquement ou manuellement, par exemple par l'opérateur de l'installation 86, et indiquent quelle est la quantité d'hydrogène par exemple, le débit Nm3/h, qu'elle doit produire. 25 Ensuite, dans une opération 610, le pilote 70 récupère l'ensemble des données qui vont permettre le calcul des consignes pour chacun des modules de l'installation. C'est notamment dans cette étape que le pilote 70 déterminera qu'un module donné est en panne, ou qu'il faut le commander pour réduire sa production d'hydrogène, par exemple 30 pour permettre de diminuer sa température, etc.20 Une fois ces éléments déterminés, le pilote 70 peut calculer une consigne de production d'hydrogène pour chaque module dans une opération 620. Cette consigne peut être calculée de plusieurs manières: - elle peut correspondre à une répartition égale de la consigne de débit de l'installation sur tous les modules actifs, en tenant compte du degré d'activité de chaque module, - elle peut dépendre d'une loi de répartition qui tient compte de divers paramètres, comme un temps d'utilisation de chaque module, des températures et niveaux d'eau de chaque module, etc.

Cette étape est particulièrement importante, car elle permet d'assurer la disponibilité de l'installation 86.

En effet, lorsqu'un module est arrêté, ou lorsqu'il est en défaillance et qu'il faut diminuer sa production d'hydrogène, il devient possible d'augmenter la consigne de production d'hydrogène des autres modules, y compris au-delà de leur capacité maximale nominale, pour compenser cette perte.

Comme on l'a vu plus haut, cela est alors réalisé en faisant fonctionner les modules concernés en surrégime grâce aux capacités surdimensionnées des alimentations. Bien que cela puisse être légèrement au détriment de la durée de vie du ou des modules concernés sur le long terme, le gain apporté par la garantie de disponibilité est plus important. En outre, cela ne serait pas possible avec les installations classiques, car leurs alimentations ne pourraient pas faire fonctionner les modules en surrégime.

Enfin, une boucle combinant une opération 630 de sélection d'un module et une opération 640 de calcul de la consigne de courant pour ce module vient apporter une commande appropriée aux modules de l'installation, puis la fonction se termine en 650.

Dans le cas où cette opération résulte en une commande qui ne peut pas être réalisée par les modules, le pilote 70 peut commander les collecteurs d'oxygène 136 et d'hydrogène 138 pour utiliser leurs réserves. Ainsi, la commande de production d'hydrogène par les modules peut être réduite à un niveau réalisable.

Ce mode de fonctionnement permet d'utiliser des réserves réalisées précédemment pour maintenir le débit en sortie. À l'inverse, le pilote 70 peut également calculer une commande légèrement supérieure à la consigne demandée, pour permettre de constituer ces réserves lorsque le débit d'hydrogène demandé à l'installation est inférieur à ses capacités.

L'opération 640 est dans l'exemple décrit ici mise en oeuvre comme suit. La commande en courant d'un module est complexe, et dépend de nombreux paramètres pour être optimisée, comme le débit d'hydrogène voulu, le nombre de groupes de cellules actifs dans le module, les tensions aux bornes de chaque cellule, la température du module, le niveau d'eau dans ses réservoirs, le débit obtenu avec la commande précédente, le nombre d'heures de fonctionnement déjà effectué etc.

Pour cette raison, le calcul de la commande en courant est faite par la lecture d'un tableau, également appelé "look up table" en anglais, qui reçoit toutes les valeurs de commande en courant en fonction de toutes les valeurs possibles des paramètres.

Ainsi, si les données d'un capteur indiquent que la consigne de débit d'hydrogène doit être diminuée, la commande sera adaptée en conséquence.

De la même manière, si cette consigne doit être diminuée parce que la température est trop élevée, la commande en courant choisie pourra être optimisée pour la température relevée.

Dans encore un autre exemple, si les données indiquent qu'un groupe de cellules est 25 court-circuité, alors la commande de courant de ce module sera automatiquement relevée pour faire compenser cela par les groupes qui restent actifs.

Dans une variante, les valeurs de la look up table ne sont pas des valeurs de commande de courant, mais des valeurs d'incrémentation de commande de courant. 30 Dans ce qui précède, l'installation 86 a été décrite en rapport avec la production d'hydrogène. Cependant, comme on l'a vu, cet hydrogène est produit par électrolyse de l'eau, et l'oxygène est un co-produit dans cette réaction.

Il est donc manifeste de ce qui précède que l'installation 86 pourrait fonctionner similairement sur la base d'une consigne de production d'oxygène à un débit voulu.

En outre, toutes les opérations et calculs réalisées par le pilote comme décrit ci-dessus peuvent être réalisées avec un affichage et/ou des indications sonores correspondants permettant à un opérateur de l'installation de gérer celle-ci.

L'installation peut également comprendre des modules de réserve. Ces modules ne sont pas activés au démarrage de l'installation, et sont prévus pour être activés en cas de panne d'un module. Leur intégration en cas de panne et le calcul des consignes se fait alors à l'identique, puisque ces modules jouent en fait le rôle de tampons. Enfin, il peut être prévu de faire tourner les modules au fur et à mesure que l'installation fonctionne, de manière à utiliser les modules de réserve pour mieux répartir l'usure sur tous les modules de l'installation.

La description de l'invention a été faite en référence à des cellules d'électrolyse équipées de membranes acides PEM. Dans les systèmes générateurs d'hydrogène, équipés de cellules à électrolyte liquide, alcalin ou acide, les adaptations technologiques de l'invention à ce type particulier de cellules sont à la portée de tout spécialiste de ces systèmes et ne seront donc pas décrites ici.

Il apparaît de ce qui précède que l'invention concerne une installation de production d'hydrogène comprenant : - M modules de production d'hydrogène (48-88-90) comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse (10), - une pluralité d'alimentations électriques (60), chacune reliée à un module (48-88-90) qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité, caractérisée en ce que certaines au moins des alimentations électriques sont dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à 5 (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal.

Cette installation peut présenter les caractéristiques additionnelles suivantes : a. une unité de traitement (85) pour traiter les fluides issus de l'électrolyse, - une pluralité de capteurs (55-94) agencés pour émettre des données de disponibilité 10 indiquant un état de fonctionnement d'au moins élément dans le groupe comprenant certaines au moins des cellules (10), certains au moins des modules (48-88-90) et l'unité de traitement, et - un pilote (70) agencé pour recevoir lesdites données indicatives d'un état de fonctionnement, et pour en tirer sélectivement des consignes de commande en courant 15 pour lesdites alimentations électriques, dont certaines peuvent être supérieures audit courant nominal. b. le pilote est agencé pour recevoir des données de consignes de débit d'hydrogène, et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour les M modules. 20 c. certains au moins des modules comprennent plusieurs cellules associées plusieurs groupes, ces modules comprenant des relais de court-circuit pour chaque groupe de cellule qu'ils contiennent, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs groupe de cellules d'un de ces modules, ledit pilote (70) émet un signal d'activation du ou des relais de court- 25 circuit associés à ces groupes de cellules, et calcule une consigne pour les modules concernés prévue pour compenser la désactivation de leurs groupes de cellules court-circuités. d. chaque groupe de cellule comprend : - des plaques bipolaires spécifiques (54) qui sont des disques ou des rectangles 30 à haute conductance électrique, dotés de deux raccords débordants (80), diamétralement ou diagonalement opposés, - un pied d'une pièce intermédiaire (82), en forme de T, à haute conductance électrique, attaché à chacun de ces deux raccords débordants (80), les barrettes de ces T étant alignées et un écart étant aménagé entre les extrémités des barrettes de deux pièces intermédiaires voisines, et - deux chevilles (84), à haute conductance électrique, adaptées à être insérées dans ces écarts, automatiquement ou manuellement, pour constituer le relais de court-circuit (72). e. en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) calcule une consigne inférieure au courant nominal pour les modules désignés et une consigne pour certains au moins des autres modules qui compense la diminution de la consigne des modules désignés. f. ledit calcul de consigne pour certains au moins des autres modules comprend une augmentation sensiblement égale de la consigne de commande pour tous ces autres modules. g. le calcul d'une consigne de commande de courant inférieure à 67% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour le module concerné. h. en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) émet un signal d'extinction de ce ou ces modules, et calcule une consigne pour les autres modules prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation. i. le calcul d'une consigne de commande de courant supérieure à 200% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour l'installation. j. le pilote est agencé, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne de l'installation, pour réduire ladite consigne de débit d'hydrogène et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour chacun des M modules. k. elle peut comprendre en outre un réservoir de stockage d'hydrogène (139a) et/ou un réservoir de stockage d'oxygène (137a), et des électrovannes (137a, 139b), à débits individuels programmables, installées entre ce ou ces réservoirs (137a, 139a) et des sorties respectives d'hydrogène et d'oxygène de l'installation, dans laquelle le pilote est agencé pour commander les électrovannes (137b, 139b) tirer un débit d'hydrogène et/ou d'oxygène du ou des réservoirs (137a, 139a) pour pallier la diminution de ladite consigne de débit d'hydrogène. 1. elle peut comprendre en outre L modules de réserve, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, le pilote est agencé pour activer un ou plusieurs modules de réserve, et pour calculer une consigne de commande de courant pour les modules fonctionnels prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation. m. les capteurs sont agencés pour mesurer au moins un des éléments parmi le groupe comprenant la tension électrique entre les électrodes de certaines au moins des cellules (10) de l'installation, la température de l'un des mélanges liquide+gaz produit par certains au moins des modules,. n. le pilote détermine que des données de disponibilité indiquent une défaillance lorsque la tension entre les électrodes d'une cellule désignée par ces données est supérieure à un seuil donné, ou lorsque la température d'un mélange liquide+gaz d'un module désigné par ces données est supérieure à un seuil donné.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Installation de production d'hydrogène comprenant : - M modules de production d'hydrogène (48-88-90) comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse (10), - une pluralité d'alimentations électriques (60), chacune reliée à un module (48-88-90) qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité, caractérisée en ce que certaines au moins des alimentations électriques sont 10 dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal.
2. 2. Installation selon la revendication 1, comprenant en outre : - une unité de traitement (85) pour traiter les fluides issus de l'électrolyse, 15 - une pluralité de capteurs (55-94) agencés pour émettre des données de disponibilité indiquant un état de fonctionnement d'au moins élément dans le groupe comprenant certaines au moins des cellules (10), certains au moins des modules (48-88-90) et l'unité de traitement, et - un pilote (70) agencé pour recevoir lesdites données indicatives d'un état de 20 fonctionnement, et pour en tirer sélectivement des consignes de commande en courant pour lesdites alimentations électriques, dont certaines peuvent être supérieures audit courant nominal.
3. 3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le pilote est agencé pour 25 recevoir des données de consignes de débit d'hydrogène, et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour les M modules.
4. 4. Installation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle certains au moins des modules comprennent plusieurs cellules associées plusieurs groupes, ces modules 30 comprenant des relais de court-circuit pour chaque groupe de cellule qu'ils contiennent, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs groupe de cellules d'un de ces modules, ledit pilote (70) émetun signal d'activation du ou des relais de court-circuit associés à ces groupes de cellules, et calcule une consigne pour les modules concernés prévue pour compenser la désactivation de leurs groupes de cellules court-circuités.
5. 5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle chaque groupe de cellule comprend : - des plaques bipolaires spécifiques (54) qui sont des disques ou des rectangles à haute conductance électrique, dotés de deux raccords débordants (80), diamétralement ou diagonalement opposés, - un pied d'une pièce intermédiaire (82), en forme de T, à haute conductance électrique, attaché à chacun de ces deux raccords débordants (80), les barrettes de ces T étant alignées et un écart étant aménagé entre les extrémités des barrettes de deux pièces intermédiaires voisines, et - deux chevilles (84), à haute conductance électrique, adaptées à être insérées dans ces écarts, automatiquement ou manuellement, pour constituer le relais de court-circuit (72).
6. 6. Installation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) calcule une consigne inférieure au courant nominal pour les modules désignés et une consigne pour certains au moins des autres modules qui compense la diminution de la consigne des modules désignés.
7. 7. Installation selon l'une des revendications 6, dans laquelle ledit calcul de consigne pour certains au moins des autres modules comprend une augmentation 25 sensiblement égale de la consigne de commande pour tous ces autres modules.
8. 8. Installation selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle le calcul d'une consigne de commande de courant inférieure à 67% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour le module concerné.
9. 9. Installation selon l'une des revendications 2 à 8, dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, ledit 30pilote (70) émet un signal d'extinction de ce ou ces modules, et calcule une consigne pour les autres modules prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation.
10. 10. Installation selon l'une des revendications 2 à 9, dans laquelle le calcul d'une consigne de commande de courant supérieure à 200% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour l'installation.
11. 11. Installation selon la revendication 10, dans laquelle le pilote est agencé, en 10 réponse à des données de disponibilité indiquant une panne de l'installation, pour réduire ladite consigne de débit d'hydrogène et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour chacun des M modules.
12. 12. Installation selon la revendication 11, comprenant en outre un réservoir de 15 stockage d'hydrogène (139a) et/ou un réservoir de stockage d'oxygène (137a), et des électrovannes (137a, 139b), à débits individuels programmables, installées entre ce ou ces réservoirs (137a, 139a) et des sorties respectives d'hydrogène et d'oxygène de l'installation, dans laquelle le pilote est agencé pour commander les électrovannes (137b, 139b) tirer un débit d'hydrogène et/ou d'oxygène du ou des réservoirs (137a, 20 139a) pour pallier la diminution de ladite consigne de débit d'hydrogène.
13. 13. Installation selon l'une des revendications 2 à 12, comprenant en outre L modules de réserve, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, le pilote est agencé pour 25 activer un ou plusieurs modules de réserve, et pour calculer une consigne de commande de courant pour les modules fonctionnels prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation.
14. 14. Installation selon l'une des revendications 2 à 13, dans laquelle les capteurs sont 30 agencés pour mesurer au moins un des éléments parmi le groupe comprenant la tension électrique entre les électrodes de certaines au moins des cellules (10) de l'installation, latempérature de l'un des mélanges liquide+gaz produit par certains au moins des modules.
15. 15. Installation selon l'une des revendications 2 à 14, dans laquelle le pilote détermine que des données de disponibilité indiquent une défaillance lorsque la tension entre les électrodes d'une cellule désignée par ces données est supérieure à un seuil donné, ou lorsque la température d'un mélange liquide+gaz d'un module désigné par ces données est supérieure à un seuil donné.