FR2961958A1 - Systeme de conversion d'energie comportant un electrolyte compose d'une base alcaline et de silicate alcalin. - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à la conversion de l'énergie et elle vise plus spécialement un système de conversion de l'énergie comportant un additif dans l'électrolyte aqueux des cellules électrochimique de ce dernier. L'invention concerne un système de conversion de l'énergie comportant une première électrode (6, 106), une seconde électrode (7, 107) et un espace inter-électrodes (11, 111) comprenant un milieu fonctionnel agencé entre la première électrode (6, 106) et la seconde électrode (11, 111) ; dans lequel la première électrode (6, 106) est réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité apte à être en tous endroits au même potentiel électrique de sorte à constituer cette première électrode (6, 106). Selon l'invention, le milieu fonctionnel est un électrolyte aqueux composé à partir d'eau, d'une base alcaline, et de silicate alcalin en concentration supérieure ou égale à 5% en masse de l'électrolyte aqueux.

Description

Système de conversion d'énergie comportant un électrolyte composé d'une base alcaline et de silicate alcalin

L'invention est relative à la conversion de l'énergie et elle vise plus spécialement un système de conversion de l'énergie comportant un additif dans l'électrolyte aqueux des cellules électrochimique de ce dernier. L'invention vise également différents dispositifs de conversion de l'énergie réalisés à partir d'un tel système.

On connaît des systèmes de conversion de l'énergie comportant une première électrode, une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel tel qu'un électrolyte ou un diélectrique. L'efficacité de tels systèmes dépend notamment des deux paramètres que sont le rendement et le coût du système. Leur optimisation repose le plus souvent sur une démarche empirique consistant à faire varier les différents paramètres définissant le système.

La littérature spécialisée (Techniques de l'ingénieur, Encyclopedia of Electrochemistry, Ed. Wiley 2007, Handbook of Electrochemistry, 1s' Ed., Cynthia G. Zoski, Ed. Elsevier 2007) enseigne différentes stratégies d'optimisation du rendement d'un réacteur électrochimique et de l'ensemble des coûts associés. En particulier, il y est indiqué que les paramètres intéressants sont principalement l'espace inter-électrode, le catalyseur et l'électrolyte pour les aspects liés à l'augmentation du rendement, d'une part, l'augmentation de la surface d'électrode et de la densité volumique de surface d'électrode pour les aspects liés aux coûts d'investissement (augmentation de l'intensité électrique donc du débit de production pour un volume donné), d'autre part.

Il est connu de l'état de la technique le dossier « électrolyseurs de l'eau à membrane acide » des publications Techniques de l'Ingénieur (traité J4810) qui enseigne que les électrolyses acides se sont développées en utilisant comme électrolyte des matériaux solides échangeurs d'ions du type des membranes perfluorosulfonées de la société DuPont, connues sous la marque déposée Nafion®. Les cellules électrochimiques conçues selon cette voie présentent des rendements intéressants mais le coût prohibitif de ces appareils, dû à l'utilisation de catalyseurs de type oxyde de ruthénium, d'une part, et de matériaux résistant à la corrosion en milieu acide, d'autre part, grève le développement industriel de cette voie, confinée aujourd'hui à des équipements de petite capacité.

Il est également connu du document WO-A-2008/061975 la possibilité d'utiliser des acides faibles en association avec les membranes échangeuses d'ions du type Nafion®.

D'autre part, il est connu du dossier « Hydrogène par Electrolyse de l'eau» des publications Techniques de l'Ingénieur (traité J6366) que l'électrolyse basique est généralement réalisée à partir d'une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium dont la concentration, variable en fonction de la température de fonctionnement, est de 25 % en masse pour une température de 80 à 90 °C, de 30 à 35 % à une température de 120 °C et de 40 % à une température de 160 °C, ces concentrations correspondant à la conductivité électrique maximale de la solution à la température considérée.

Le document US-B-1,446,736 décrit l'utilisation de solutions d'hydroxyde de sodium comme 10 électrolyte pour la production d'hydrogène et d'oxygène.

Le document US-B-1,547,362 divulgue la séparation de l'hydrogène et l'oxygène de l'eau au moyen d'électrolytes alcalins.

15 Le document US-B-2,433,871 enseigne l'utilisation d'additifs comme le vanadium dans les électrolytes aqueux basiques alcalins.

Le document US-B-4,247,610 enseigne l'utilisation de fluorure de potassium dans les électrolytes composés d'eau et d'hydroxyde de potassium. 20 Ces quatre derniers documents enseignent donc la réalisation de systèmes de conversion d'énergie utilisant des électrolytes aqueux alcalins, parfois dotés d'additifs, en vue d'améliorer sa conductivité et donc, in fine, son rendement énergétique. Ces solutions présentent néanmoins l'inconvénient d'endommager, de façon importante, les éléments 25 conducteurs de la cellule électrochimique, c'est-à-dire les électrodes, ce qui a pour effet immédiat de limiter la durée de vie ainsi que l'efficacité après une certaine durée d'utilisation de ces systèmes.

Par ailleurs, il est également connu de l'état de la technique le document EP-A-O 248 433 qui 30 décrit l'utilisation de solutions de silicate de sodium à 0,6 % en masse dans des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium pour stabiliser la production par électrolyse de peroxyde d'hydrogène.

Le document US-A-3,932,208 décrit le dépôt de silicates solubles en couche mince sur la 35 surface de diaphragmes en amiante, côté compartiment anodique, comme couche protectrice.

Le document US-B-6,572,756 enseigne la réalisation d'une réaction d'électrolyse pour le dépôt en couche mince d'un minéral à base de silicate sur des pièces métalliques permettant la passivation de la pièce et une meilleure résistance à la corrosion. Dans ce cas, l'électrolyte utilisé est composé d'un silicate d'alcalin (préférentiellement de sodium) et d'eau comme solvant. Le résultat est l'obtention d'une couche de passivation chimique mais également d'une protection galvanique du fait de l'augmentation de la résistance électrique de l'électrode, la couche minérale étant très peu conductrice.

Le document US-A-2005/0180094 enseigne l'ajout de silicates comme stabilisateurs de performance à long terme des condensateurs. Dans ce document, il est prévu deux possibilités d'emploi des silicates : dans le cadre d'un mélange silicate et eau, d'une part, dans le cadre d'un mélange eau, silicate, solvant organique et solution ionogénique, d'autre part.

Le document US-B-7,691,527 enseigne la possibilité d'ajouter du silicate de sodium comme gélifiant à des électrolytes comportant des hydrures de métaux pour la production d'hydrogène.

Ces derniers documents enseignent donc l'utilisation de silicates pour leurs propriétés de protection des matériaux conducteurs des cellules électrochimiques dans le cadre de différents mélanges électrolytiques. Les systèmes de conversion d'énergie décrits précédemment présentent néanmoins l'inconvénient d'utiliser des électrolytes dont la conductivité n'est pas optimum et donc insuffisante pour des applications industrielles.

Le problème à la base de l'invention est de disposer d'un système de conversion de l'énergie comportant une première électrode, une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel agencé entre la première électrode et la seconde électrode qui soit optimisé afin de procurer un rendement élevé à un coût de fabrication et d'exploitation raisonnable à l'échelle industrielle et permettant une exploitation commerciale.

L'objet de l'invention consiste également à utiliser un mélange électrolytique qui permette d'optimiser les coûts de réalisation des dispositifs de production d'hydrogène en supprimant la nécessité d'utiliser des catalyseurs ou des membranes échangeuses d'ions, tout en garantissant un fort rendement et une longue durée de vie à la cellule électrochimique. Plus particulièrement, l'invention vise à augmenter de façon significative la conductivité de l'électrolyte tout en assurant une protection adéquate des éléments conducteurs de la cellule électrochimique afin d'éviter leur dégradation structurelle et fonctionnelle, voir leur destruction définitive au cours de la réaction électrolytique.

L'invention vise à apporter au moins une solution à l'un de ces problèmes.

D'autre part, selon une problématique plus particulière, il a été mis en évidence qu'un système de conversion de l'énergie comportant : d'une part, un moyen conducteur de l'électricité allongé de longueur L et présentant un rayon de courbure R inférieur à 50 x 10-6 m (50 micromètres) tel que le rapport L/R est supérieur à 3 x 106 (trois millions), de deuxième part, une seconde électrode et, de troisième part, un espace inter-électrodes d'une épaisseur comprise entre 1 x 10-9 m et 2 x 10-2 m (1 nanomètre et 2 centimètres) permet, à l'échelle de nanométrique à millimétrique, d'augmenter de façon significative le champ électrique autour de la première électrode ainsi constituée ou de créer des effets électrostatiques complexes.

Cet effet est ici dénommé « effet couronne », par analogie avec l'effet couronne classique connu dans le cas de câbles électriques dont le diamètre est de l'ordre de quelques centimètres, sous haute tension électrique, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilo volts. Or, les électrodes ainsi constituées et soumises à cet effet couronne sont rapidement détériorées pour être finalement transformées en poudres nanométriques à micrométriques de métal. Il s'avère que dans les réalisations précitées, cet effet couronne - effet électrostatique dû au champ électrique augmenté - est ainsi supérieur à l'inertie du matériau composant les électrodes vis-à-vis de l'électrolyse.

L'invention vise donc également à disposer d'un système de conversion de l'énergie présentant des électrodes réalisées de manière à rendre possible l'utilisation de cet effet couronne, sans aboutir à la destruction des électrodes par leur transformation en poudre nanométriques à micrométriques.

Pour ce faire, l'invention concerne selon un premier aspect un système de conversion de l'énergie comportant une première électrode, une seconde électrode et un espace inter- électrodes comprenant un milieu fonctionnel agencé entre la première électrode et la seconde électrode ; dans lequel la première électrode est réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité apte à être en tous endroits au même potentiel électrique de sorte à constituer cette première électrode ; dans lequel le milieu fonctionnel est un électrolyte aqueux composé à partir d'eau, d'une base alcaline, et de silicate alcalin en concentration supérieure ou égale à 5% en masse de l'électrolyte aqueux.

Cette réalisation et, notamment, l'association de bases alcalines et de silicates d'alcalin en concentration supérieure ou égale à 5% en masse de l'électrolyte aqueux permet d'obtenir

de façon inattendue et particulièrement efficace un effet complexe de protection des électrodes et d'augmentation de la conductivité du dispositif. Plus particulièrement, l'ajout des silicates d'alcalins permet de stabiliser les éléments de la cellule électrochimique, autant dans le compartiment cathodique que dans le compartiment anodique et pour les électrodes anodique et cathodique. Selon une réalisation, le silicate alcalin présente une concentration en masse de l'électrolyte aqueux allant de 5% à 30%. Au-delà de cette limite de 30%, l'électrolyte devient gélatineuse ce qui pose des problèmes pour évacuer l'hydrogène du dispositif. Selon une réalisation, la base alcaline est choisie parmi les éléments suivants : hydroxyde de sodium, hydroxyde de lithium, et hydroxyde de potassium.

Selon une réalisation, le silicate alcalin est choisi parmi les éléments suivants : silicate de 15 lithium, silicate de sodium, et silicate de potassium.

Selon un premier mode de réalisation, le moyen conducteur de l'électricité est allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R : R étant inférieur à 50 x 10-6 m (40 micromètres), l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10-9 m 20 et 2 x 10-2 m (1 nanomètre et 2 centimètres), et le rapport L/R est supérieur à 3 x 106 (trois millions) de sorte que la première électrode procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode.

25 Selon un deuxième mode de réalisation, le rapport L/R est supérieur ou égal à 2,5 x 107 (25 million).

De tels premier et deuxième modes de réalisation permettent de mettre à profit l'effet couronne mentionné précédemment tout en évacuant les problématiques de destruction, en 30 poudre de métal, des électrodes constituant le dispositif.

Selon une réalisation, le moyen conducteur de l'électricité est allongé et de longueur totale L supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre).

35 Selon une réalisation, la première électrode est réalisée dans un premier matériau et la seconde électrode est réalisée dans un second matériau différent du premier matériau. En effet, il a été constaté que l'électrolyte selon l'invention permet l'emploi différentiel, entre le compartiment cathodique et le compartiment anodique, de couples galvaniques de matériaux10 d'électrode ce qui permet de moduler de façon intéressante les propriétés du système de conversion de l'énergie.

Selon une réalisation, la première électrode forme une anode et la seconde électrode forme une cathode, l'anode étant constituée d'éléments plus électronégatifs que la cathode de manière à générer une élévation de l'intensité du courant traversant cette anode et cette cathode. Le fait d'utiliser des matériaux différents pour les première et secondes électrodes et, en particulier, une anode constituées d'éléments plus électronégatifs que la cathode favorise ainsi l'augmentation de l'intensité électrique de la cellule électrochimique.

L'invention concerne, selon un deuxième aspect, un dispositif de conversion de l'énergie incluant un système de conversion de l'énergie selon l'invention, consistant en un dispositif d'électrolyse, de photolyse, d'électro-synthèse, de générateur électrique par électrolyse inverse, de pile à combustible, d'accumulateur électrique, de générateur d'ozone, d'électrodialyse, de condensateur, de lampe à décharge, de générateur photovoltaïque, de cellule solaire à conducteur photo-actif.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

^ la figure 1 est un schéma en perspective d'une première réalisation possible d'un dispositif incluant un système de conversion de l'énergie conforme à l'invention, à savoir un dispositif d'électrolyse ; ^ la figure 2 est un schéma en perspective d'une deuxième réalisation possible d'un dispositif incluant un système de conversion de l'énergie conforme à l'invention, à savoir un condensateur ; ^ la figure 3 est un diagramme représentant la résistance d'un l'électrolyseur selon l'invention et l'intensité du courant parcourant ses électrodes, en fonction de la différence de potentiels appliqués entre les bornes de cet électrolyseur ; ^ la figure 4 illustre un diagramme représentant l'intensité du courant traversant l'anode et la cathode d'un dispositif électrolytique selon l'invention, en fonction de l'évolution de la température ; ^ la figure 5 est un schéma en perspective d'une quatrième réalisation possible d'un dispositif incluant un système de conversion de l'énergie conforme à l'invention, dans lequel l'anode et la cathode sont réalisées à partir de matériaux différents ; ^ la figure 6 est un schéma en perspective d'une première réalisation particulière possible d'un dispositif incluant un système de conversion de l'énergie conforme à l'invention, à savoir un dispositif d'électrolyse, la première électrode et la seconde électrode du système ayant une structure symétrique ou pseudo-symétrique.

Il est fait référence à la figure 1 qui illustre un dispositif d'électrolyse 1 comportant une enceinte creuse extérieure 3 réalisée à l'aide d'un récipient en verre. L'enceinte creuse extérieure 3 renferme un compartiment anodique 4 et un compartiment cathodique 5 comprenant respectivement un tissu de nickel formant anode 6 et un tissu de nickel formant cathode 7.

Ces tissus de nickel formant anode 6 et cathode 7 sont composés de fil de nickel présentant un diamètre de 55 µm, un écartement de 80 µm et une surface, en regard, de 25 cm2.

Le dispositif d'électrolyse comporte par ailleurs un générateur 8 qui est utilisé pour appliquer une différence de potentiel P, c'est-à-dire une tension, entre l'anode 6 et la cathode 7. D'autre part, une surface intérieure 9 de l'anode 6 et une surface extérieure 10 de la cathode 7 sont positionnée en regard l'une de l'autre et définissent entre elles un espace inter-électrodes 11 à l'intérieur duquel est placé un électrolyte 12.

20 Des expériences comparatives ont été réalisées entre différents types d'électrolytes 12.

Selon une première variante, l'espace inter-électrode 11 a été empli d'un électrolyte 12 constituée à partir d'eau déminéralisée. La mise en oeuvre du dispositif d'électrolyse 1 a alors conduit à une destruction rapide des tissus de nickel formant l'anode 6 et la cathode 7 25 en seulement quelques heures, avec apparition rapide dans l'électrolyte d'un composé vert d'oxyde ou d'hydroxyde de nickel.

Selon une deuxième variante, l'espace inter-électrode 11 a été empli d'un électrolyte 12 constitué à partir d'eau eau déminéralisée et d'hydroxyde de sodium. De la même façon que 30 précédemment, il a été observé une destruction progressive des tissus de nickel formant l'anode 6 et la cathode 7 en quelques dizaines d'heures, avec apparition rapide dans l'électrolyte d'un composé vert d'hydroxyde de nickel.

Selon une troisième variante, l'espace inter-électrode 11 a été empli d'un électrolyte 12 35 constitué à partir d'eau déminéralisée, de silicate de sodium en solution à 20 % et d'hydroxyde de sodium à 20 %. Dans ce cas de figure, il n'a été observé ni corrosion sur l'anode 6 et la cathode 7, ni dégradation de l'électrolyte 12 pendant une durée de fonctionnement de 1000 heures, à intensité constante.15

Cette troisième et dernière variante d'électrolyte 12 a donc permis de limiter la destruction des électrodes au cours de la réaction d'électrolyse.

Il est fait maintenant fait référence à la figure 2.

Cette figure 2 illustre un dispositif d'électrolyse 1 selon l'invention proche de celui de la figure 1, comportant une enceinte creuse extérieure 3 réalisée à l'aide d'un récipient en verre, renfermant un compartiment anodique 4 et un compartiment cathodique 5 comprenant respectivement un tissu de nickel formant anode 6 et un tissu de nickel formant cathode 7.

Selon cette réalisation, les tissus de nickel formant anode 6 et cathode 7 présentent une surface en regard de 1 dm2 et un écartement de 5 mm.

Le dispositif d'électrolyse comporte par ailleurs un générateur 8 qui est utilisé pour appliquer une différence de potentiel P que l'on a fait varier entre l'anode 6 et la cathode 7, ainsi qu'un espace inter-électrode 11 empli d'un électrolyte 12 composé d'eau, de silicate de sodium en solution à 20 % en masse et d'hydroxyde de sodium à 20 % en masse.

Une série d'expériences ont été réalisées à partir de cette réalisation du dispositif d'électrolyse 1 et ont permis d'obtenir une résistance R de l'électrolyseur de 20 Ohm à 1,9 V, de 8 Ohm à 2 V, de 5 Ohm à 2,1 V, de 2,5 Ohm à2,3Vetde 1,5 Ohm à 3V.

Les résultats de ces expérimentations sont résumés dans le tableau ci-dessous : P (en volts) R (en ohms) I (en A) 1,9 20 0,095 2 8 0,25 2,1 5 0,42 2,3 2,5 0,92 3 1,5 2 La figure 3 représente un diagramme illustrant la résistance R de l'électrolyseur et l'intensité I du courant aux bornes des deux électrodes, en fonction de la différence de potentiel P appliquée entre l'anode 6 et la cathode 7. 30 Une autre expérimentation a été réalisée avec une cellule d'électrolyse destinée à la production d'hydrogène, composée d'une cathode réalisée à partir d'un tissu de nickel, d'une anode en tissu d'acier inox, les deux électrodes ayant une surface en regard de 14 dm2 et étant espacées l'une de l'autre de 5 mm. L'électrolyte était composé de 30% d'hydroxyde de potassium et de 20% de silicate de potassium dans de l'eau déminéralisée. Le rendement mesuré, à température et pression ambiante, pour une tension de 1,9 V dans ces conditions non optimales s'est avéré être de 88%. Ce type de dispositif dont les coûts de fabrication et d'exploitation sont très bas permet d'envisager une exploitation commerciale.

Selon une troisième réalisation (non représentée) du système de conversion de l'énergie selon l'invention, le dispositif électrolytique 1 semblable à celui de la figure 2 présente néanmoins des compartiments anodique 4 et cathodique 5 emplis respectivement d'une plaque d'acier présentant une surface de 25 cm2, formant anode 6, et d'une plaque d'acier présentant une surface de 25 cm2, formant cathode 7.

L'acier utilisé est un acier galvanisé se composant d'une couche mince de zinc à plus de 93%, de fer à 3% et d'oxygène à 4%.

Ce dispositif électrolytique 1 a été mis en oeuvre pendant une durée de 1000 heures. Il a été observé à l'issue de cette expérience une légère dégradation de l'anode 6, un noircissement de la cathode 7 et le dépôt de petites particules noires au fond de la solution.

L'analyse chimique de la surface de l'anode 6 après 1000 h de fonctionnement du dispositif électrolytique 1 a permis de révéler la présence d'une couche mince composée de 87 % de fer, 1 % de manganèse, 2 % de silicium, 4 % de sodium et 6 % d'oxygène.

L'analyse chimique de la surface de la cathode 7 après 1000 h de fonctionnement du dispositif électrolytique 1 montre la présence d'une couche mince composée de 80 % de fer, 1 % de manganèse, 3 % de silicium, 6 % de sodium, 8 % d'oxygène et 2 % de zinc. Ces résultats sont résumés dans le tableau ci-dessous : Composition de la surface des électrodes Analyse initiale Anode Cathode après électrolyse après électrolyse Fer 3% 87% 80% Oxygène 4% 6% 8%30 Zinc 93% 0% 2% manganèse 0% 1% 1% silicium 0% 2% 3% sodium 0% 4% 6% Il découle de ces résultats que la couche de zinc permettant de protéger l'acier a été détruite lors de l'électrolyse du côté anode 6 et en grande partie détruite du côté cathode 7 de sorte qu'il ne subsiste que quelques pour cents de zinc qui ont réagi avec le silicate de sodium et ont donné cette couleur noire à la cathode 7.

Après enlèvement de la couche de zinc, les électrodes en fer ont été stabilisées et protégées par le silicate de sodium du fait de la création d'une couche de passivation minérale et conductrice mélangeant d'une part les éléments de composition de l'électrode, d'autre part les éléments de composition du silicate.

Ceci est vrai pour les deux électrodes, anode 6 et cathode 7.

Selon une quatrième réalisation (non représentée) du système de conversion de l'énergie selon l'invention, le dispositif d'électrolyse 1 comporte une enceinte creuse extérieure 3, de forme cylindrique, réalisée à l'aide d'un récipient en verre, renfermant un compartiment anodique 4 et un compartiment cathodique 5.

Ces compartiments anodique 4 et cathodique comprennent respectivement une anode 6 et une cathode 7 formée à partir d'un tissu d'acier inox 316 L composé de filaments de diamètre 36 pm. Ces tissus d'acier inox 316L présentent une surface en regard de 6 cm2 et un écartement de 4 cm.

Le dispositif d'électrolyse comporte par ailleurs un générateur 8 qui est utilisé pour appliquer une différence de potentiel P de 2,5 V entre l'anode 6 et la cathode 7 et un espace inter-électrode 11 empli d'un électrolyte 12 composé d'hydroxyde de potassium à 20 % en masse et de silicate de potassium à 20 % en masse dans de l'eau déminéralisée.

Il a été procédé à la mise en oeuvre de ce dispositif électrolytique 1 à haute température. Les résultats de ces essais sont mentionnés dans le tableau ci-dessous : Température (en °C) Intensité (en ampères) 20 0,08 25 0,1 40 0,19 50 0,24 70 0,27 80 0,28 Lors de la réalisation de ces essais, il n'a pas été constaté de corrosion sur les électrodes en acier inox 316L mais seulement le dépôt d'une légère couche de type couche de passivation.

Par ailleurs, la figure 4 illustre un diagramme représentant l'intensité du courant traversant l'anode 6 et la cathode 7 de ce dispositif électrolytique 1 en fonction de l'évolution de la température.

Cette courbe forme un optimum vers 50 °C avant de s'infléchir vers 60 °C. Dans les électrolyses aqueuses classiques (KOH), l'optimum en intensité dépend de la concentration en KOH et de la température de fonctionnement.

Selon d'autre variantes de réalisation (non représentées) du système de conversion de l'énergie selon l'invention, le dispositif d'électrolyse 1 comporte une enceinte creuse extérieure 3, de forme cylindrique, réalisée à l'aide d'un récipient en verre, renfermant un compartiment anodique 4 et un compartiment cathodique 5 qui comprennent respectivement une anode 6 et une cathode 7.

Grâce à l'effet protecteur des silicates d'alcalin, il est possible d'utiliser un panel plus important de matériaux que les classiques anodes en nickel des électrolyses alcalines industrielles. En particulier, il devient possible de favoriser le débit de courant en jouant sur la capacité de certains éléments à libérer plus facilement un électron.

Le dispositif d'électrolyse comporte par ailleurs un générateur 8 qui est utilisé pour appliquer une différence de potentiel P entre l'anode 6 et la cathode 7 et un espace inter-électrode 11 empli d'un électrolyte 12.

Une première variante est décrite ci-dessous.

Selon cette première variante, l'électrolyte 12 est composé d'une solution d'eau déminéralisé, de 10% en masse de d'hydroxyde de sodium et de 20% en masse de silicate de sodium. Par ailleurs, sont utilisées une première électrode en tissu d'acier inox et une seconde électrode en tissu de nickel, ces deux électrodes présentant respectivement une surface en regard de 10 cm2 et un écartement inter-électrode de 3 cm.

En outre, la différence de potentiel entre la tension entre les bornes de l'anode 6 et de la cathode 7 est de 2,5 V.

Selon cette première variante, lorsque la première électrode en tissu d'acier inox est positionnée dans le compartiment cathodique 5 et forme la cathode 7, d'une part, et que la deuxième électrode en tissu de nickel est positionnée dans le compartiment anodique 4 et forme l'anode 6, d'autre part, l'intensité du courant traversant le dispositif est de 0,17 A.

Au contraire, lorsque la première électrode en tissu d'acier inox est positionnée dans le compartiment anodique 4 et forme l'anode 6, d'une part, et que la deuxième électrode en tissu de nickel est positionnée dans le compartiment cathodique 5 et forme la cathode 7, d'autre part, l'intensité du courant traversant le dispositif est de 0,37 A.

Il existe donc une augmentation absolue de 110% de l'intensité obtenue selon l'une ou l'autre de ces deux réalisations.

Une deuxième variante est décrite ci-dessous.

Selon cette deuxième variante, l'électrolyte 12 est composé d'une solution d'eau déminéralisé, de 10% en masse de d'hydroxyde de sodium et de 20% en masse de silicate de sodium. Par ailleurs, sont utilisées une première électrode en tissu d'acier inox et une seconde électrode en feutre de carbone, ces deux électrodes présentant respectivement une surface en regard de 10 cm2 et un écartement inter-électrode de 3 cm.

En outre, la différence de potentiel entre la tension entre les bornes de l'anode 6 et de la cathode 7 est de 2,5 V.

Selon cette deuxième variante, lorsque la première électrode en tissu d'acier inox est positionnée dans le compartiment cathodique 5 et forme la cathode 7, d'une part, et que la deuxième électrode en feutre de carbone est positionnée dans le compartiment anodique 4 et forme l'anode 6, d'autre part, l'intensité du courant traversant le dispositif est de 0,11 A.

Au contraire, lorsque la première électrode en tissu d'acier inox est positionnée dans le compartiment anodique 4 et forme l'anode 6, d'une part, et que la deuxième électrode en 35 feutre de carbone est positionnée dans le compartiment cathodique 5 et forme la cathode 7, d'autre part, l'intensité du courant traversant le dispositif est de 0,17 A.

Il en découle donc une augmentation absolue de 54% de l'intensité obtenue selon l'une ou l'autre de ces deux réalisations.

Une troisième variante est décrite ci-dessous.

Selon cette troisième variante, l'électrolyte 12 est composé d'une solution d'eau, de 20% en masse de d'hydroxyde de sodium et de 20% en masse de silicate de sodium. Par ailleurs, sont utilisées une première électrode en tissu d'acier inox 316L et une seconde électrode variable, ces deux électrodes présentant respectivement une surface en regard de 6 cm2 et un écartement inter-électrode de 3 cm.

En outre, la différence de potentiel entre la tension entre les bornes de l'anode 6 et de la cathode 7 est de 2,5 V.

Lorsque la première électrode en tissu d'acier inox 316L est positionnée dans le compartiment anodique 4 et forme l'anode 6, d'une part, et qu'une deuxième électrode en tissu de nickel est positionnée dans le compartiment cathodique 5 et forme la cathode 7, d'autre part, l'intensité du courant traversant le dispositif est de 0,17 A.

Lorsque la première électrode en tissu d'acier inox 316L est positionnée dans le compartiment anodique 4 et forme l'anode 6, d'une part, et qu'une deuxième électrode en tissu de nickel - recouverte cette fois d'un dépôt en couche mince de graphite colloïdal en bombe aérosol de la marque déposée Kontakt Chemie - est positionnée dans le compartiment cathodique 5 et forme la cathode 7, d'autre part, l'intensité du courant traversant le dispositif est de 0,24 A.

Les résultats obtenu lors de la réalisation de ces première, deuxième et troisième variantes sont récapitulées dans le tableau ci-dessous. Tension Ecartement Surfaces Electrolyte Anode Cathode Intensité (en volts) inter-électrode en regard (en A) (en cm) (en cm2) 2,5 3 10 cm2 10%NaOH tissu nickel tissu inox 0,17 A 20 % Silicate Na 2,5 3 10 cm2 10%NaOH tissu inox tissu nickel 0,37 A 20 % Silicate Na 10%NaOH 2,7 3 10 cm2 20 % Silicate Na feutre carbone tissu inox 0,11 A 2,7 3 10 cm2 10%NaOH tissu inox feutre carbone 0,17 A 20 % Silicate Na 2,5 3 6 cm2 20%KOH tissu inox tissu nickel 0,17 A 20 % Silicate K 2,5 3 6 cm2 20%KOH tissu inox tissu nickel graphité 0,24 A 20 % Silicate K Il est maintenant fait référence à la figure 6 qui illustre un autre dispositif d'électrolyse 101, d'axe 102 de révolution, selon l'invention.

Ce dispositif d'électrolyse 101 comprend une enceinte creuse extérieure 103, ici de forme cylindrique. L'enceinte creuse extérieure 103 renferme un compartiment anodique 104 et un compartiment cathodique 105. Ces deux compartiments 104, 105 sont de forme générale cylindrique, coaxiales d'axe 102. Ils sont placés l'un dans l'autre, ici le compartiment anodique 104 entourant vers l'extérieur le compartiment cathodique 105.

Le compartiment anodique 104 comprend une électrode formant anode 106 et le compartiment cathodique 105 comprend une électrode formant cathode 107. Une différence de potentiel est appliquée en 108 entre l'anode 106 et la cathode 107. D'autre part, la surface intérieure 109 de l'anode 106 et la surface extérieure 110 de la cathode 107 sont situées en regard l'une de l'autre et définissent entre elles un espace inter-électrodes 111. Un filtre 112, placé dans l'espace inter-électrodes 111, sépare l'anode 106 de la cathode 107 et permet la présence entre elles d'un électrolyte.

Selon une réalisation possible, pour former respectivement l'anode 106 et la cathode 107, on prévoit une structure constituée par un filtre en forme générale de cylindre creux avec des pores de 25 x 10-6 m (25 micromètres). Vers l'extérieur et vers l'intérieur de cette structure, de la laine d'acier présentant un faible rayon de courbure R de 9 x 10-6 m (9 micromètres) est moyennement tassée - avec un taux de porosité supérieur à 70 %, la longueur L totale de chaque électrode en laine d'acier étant de 10 x 103 m (10 kilomètres).

Dans le cadre d'essais, il a été utilisé comme électrolyte de l'eau de ville (eau du robinet), légèrement ionisée, un système passif constitué par un aimant de forme cylindrique 113 tel qu'un aimant NdFeB, placé au centre du compartiment cathodique 105 pourvu à cet effet d'un espace vide central. Toutefois, ces essais ont abouti à la décomposition des deux électrodes en poudres d'oxydes ou d'hydroxydes métalliques.

D'autres essais ont alors été conduits à partir d'un électrolyseur élémentaire, réalisé dans une géométrie cylindrique, sans aucune paroi de séparation entre le compartiment anodique et le compartiment cathodique (filtre ou membrane). La surface en regard de chaque électrode a été fixée à 30 cm2, la tension électrique a été fixée à 2,5 V, l'écartement entre les électrodes a été fixé à 5 x 10-3 m (5 millimètres) l'électrolyte étant composé de silicate de sodium à 20 % en masse et d'hydroxyde de sodium à 20% en masse dans de l'eau déminéralisée.

Ces essais ont permis de mettre en évidence la forte conductivité de l'électrolyte selon l'invention tout en garantissant la stabilité des électrodes, même dans le cas de l'acier.

Il convient de noter que l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et illustré dans le présent document mais s'étend au contraire à tout autre type de système de conversion d'énergie pour lesquels l'utilisation d'un électrolyte aqueux est nécessaire, et ce indépendamment de leur géométrie structurelle ou de leur fonctionnement.

Sont notamment couverts, tous les dispositifs de conversion d'énergie qui comprennent une structure d'ensemble du moyen conducteur de l'électricité organisée ou bien non organisée, en vrac.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Système de conversion de l'énergie comportant une première électrode (106, 306), une seconde électrode (107, 307) et un espace inter-électrodes (111, 311) comprenant un milieu fonctionnel agencé entre la première électrode (106, 306) et la seconde électrode (111, 311); dans lequel la première électrode (106, 306) est réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité apte à être en tous endroits au même potentiel électrique de sorte à constituer cette première électrode (106, 306) ; caractérisé en ce que le milieu fonctionnel est un électrolyte aqueux composé à partir d'eau, d'une base alcaline, et de silicate alcalin en concentration supérieure ou égale à 5% en masse de l'électrolyte aqueux.
2. 2. Système de conversion de l'énergie selon la revendication 1, dans lequel le silicate alcalin présente une concentration en masse de l'électrolyte aqueux allant de 5% à 30%.
3. 3. Système de conversion de l'énergie selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la base alcaline est choisie parmi les éléments suivants : hydroxyde de sodium, hydroxyde de lithium, et hydroxyde de potassium.
4. 4. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le silicate alcalin est choisi parmi les éléments suivants : silicate de lithium, silicate de sodium, et silicate de potassium.
5. 5. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le moyen conducteur de l'électricité est allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R : R étant inférieur à 50 x 10-6 m (50 micromètres), l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10-9 m et 2 x 10"2 m (1 nanomètre et 2 centimètres), et le rapport UR est supérieur à 3 x 106 (trois millions) de sorte que la première électrode (106, 306) procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode (107, 307).
6. 6. Système de conversion de l'énergie selon la revendication 5, dans lequel le rapport UR est supérieur ou égal à 2,5 x 10' (25 million).
7. 7. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, dans lequel le moyen conducteur de l'électricité est allongé et de longueur totale L supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre).
8. 8. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première électrode est réalisée dans un premier matériau et la seconde électrode est réalisée dans un second matériau différent du premier matériau.
9. 9. Système de conversion de l'énergie selon la revendication 8, dans lequel la première électrode forme une anode et la seconde électrode forme une cathode, l'anode étant constituée d'éléments plus électronégatifs que la cathode de manière à générer une élévation de l'intensité du courant traversant cette anode et cette cathode.
10. 10. Dispositif de conversion de l'énergie incluant un système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, consistant en un dispositif d'électrolyse, de photolyse, d'électrosynthèse, de générateur électrique par électrolyse inverse, de pile à combustible, d'accumulateur électrique, de générateur d'ozone, d'électrodialyse de condensateur, de lampe à décharge, de générateur photovoltaïque, de cellule solaire à conducteur photo-actif.