FR3007669A1 - DEVICE FOR PURIFYING AND ELECTROCHEMICALLY COMPRESSING MULTI-STAGE HYDROGEN - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif forme un compresseur électrochimique à plusieurs étages, apte à pressuriser de l'hydrogène s'écoulant à travers ce dispositif. Il comprend : ▪ une entrée et une sortie d'hydrogène ; ▪ au moins deux assemblages membrane-électrodes (AME), chaque assemblage membrane-électrodes formant une cellule électrochimique ; lesdits AME étant agencés de sorte à être traversés par un flux d'hydrogène, et étant connectés en série les uns aux autres et électriquement isolées les uns des autres ; chacun des AME comprenant une surface active apte à assurer les réactions d'oxydo-réduction de l'hydrogène ; Les AME présentent des surfaces actives distinctes les unes des autres, et décroissant selon la direction de circulation de l'hydrogène.This device forms a multi-stage electrochemical compressor, able to pressurize hydrogen flowing through this device. It includes: ▪ an entry and exit of hydrogen; ▪ at least two membrane-electrode assemblies (MEAs), each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell; said MEAs being arranged to be traversed by a stream of hydrogen, and being connected in series with each other and electrically isolated from each other; each of the MEAs comprising an active surface capable of performing the oxidation-reduction reactions of hydrogen; AMEs have active surfaces that are distinct from each other, and decreasing in the direction of circulation of hydrogen.
Description
DISPOSITIF DE PURIFICATION ET DE COMPRESSION ELECTROCHIMIQUE DE HYDROGENE A PLUSIEURS ETAGES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un dispositif de purification et compression électrochimique d'hydrogène à plusieurs étages de compression. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif dans lequel les cellules électrochimiques constitutives ont une surface d'aire de plus en plus petite, dans le sens du flux d'hydrogène. ETAT DE LA TECHNIQUE L'hydrogène offre un intérêt considérable pour le stockage d'énergie lorsqu'il est produit « ultra-pur », car il peut être ensuite transformé en chaleur, en électricité ou en produits à forte valeur ajoutée. Le stockage de ce gaz très léger reste cependant très difficile et sa compression sous différentes formes (gazeux, liquide et hydrures métalliques) à des pressions élevées reste une étape très énergivore (7 à 13 kWh/kg H2).TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a device for the purification and electrochemical compression of hydrogen with several compression stages. More precisely, the subject of the invention is a device in which the constituent electrochemical cells have a smaller and smaller surface area in the direction of the hydrogen flow. STATE OF THE ART Hydrogen offers considerable interest for energy storage when it is produced "ultra-pure" because it can then be converted into heat, electricity or high value-added products. The storage of this very light gas remains however very difficult and its compression in different forms (gaseous, liquid and metal hydrides) at high pressures remains a very energy-intensive step (7 to 13 kWh / kg H2).
Les compresseurs électrochimiques pour l'hydrogène sont des dispositifs basés sur les propriétés conductrices de protons de certains matériaux. Ils permettent de pressuriser de l'hydrogène (potentiellement de quelques centaines de bars) par un processus simple en une étape, à l'aide d'une alimentation électrique de faible puissance.Electrochemical compressors for hydrogen are devices based on the proton conductive properties of certain materials. They allow to pressurize hydrogen (potentially a few hundred bars) by a simple process in one step, using a low power supply.
Ce type de dispositif est basé sur la technologie PEM (« Proton Exchange Membrane ») ou « membrane échangeuse de protons », c'est-à-dire une cellule électrochimique comprenant un assemblage membrane/électrodes (AME). Un AME comprend une membrane constituée d'un polymère conducteur protonique, par exemple un ionomère de type PFSA (Acide PerFluoroSulfonique) tel que le Nafion®, séparant deux électrodes anodique et cathodique, respectivement. Les électrodes comprennent généralement du platine ou un alliage de platine supporté par du carbone.This type of device is based on the PEM ("Proton Exchange Membrane") technology or "proton exchange membrane", that is to say an electrochemical cell comprising a membrane / electrode assembly (AME). An MEA comprises a membrane consisting of a proton conductive polymer, for example an ionomer of the PFSA (PerFluoroSulfonic Acid) type such as Nafion®, separating two anode and cathode electrodes, respectively. The electrodes generally comprise platinum or a platinum alloy supported by carbon.
Lorsqu'une une surtension électrique suffisante est appliquée aux bornes de la cellule alimentée en hydrogène ou à l'aide d'un mélange de gaz contenant de l'hydrogène à une pression donnée, l'anode est le siège d'une ou plusieurs réactions chimiques.When a sufficient electrical overvoltage is applied across the cell supplied with hydrogen or with a mixture of gases containing hydrogen at a given pressure, the anode is the seat of one or more reactions. chemical.
Ainsi, lorsque la cellule électrochimique est alimentée uniquement par de l'hydrogène, l'anode est le centre d'une réaction d'oxydation de l'hydrogène, selon la demi-équation suivante : H2 2H+ + 2e- (1) Lorsque la cellule électrochimique est alimentée par un mélange de gaz, issu par exemple du vaporeformage du gaz naturel ou du bioéthanol et fonctionne dans une gamme de températures comprises entre 20 et 80°C, une deuxième réaction d'oxydation est possible. Cette réaction, correspondant à l'oxydation du monoxyde de carbone, a lieu à l'anode et est également une source de protons : CO + H2O CO2+ 2H++ 2e- (2) Les protons solvates, c'est-à-dire les protons entourés de molécules d'eau, migrent à travers la membrane ionomérique sous l'effet du champ électrique et viennent se réduire à la cathode sous forme d'hydrogène selon la demi-équation suivante : 2H++2e- H2 (3) Le flux de moles de protonsH~) qui traverse la cellule électrochimique est relié au courant I par la relation suivante : I = 2FiiH+ (4) (F) représentant la constante de Faraday. La tension électrique utile pour extraire de l'hydrogène du mélange gazeux et le récupérer à la cathode à la même pression qu'à l'anode correspond à la tension nécessaire pour la purification de l'hydrogène. Cette tension dépend principalement de la résistance de la membrane, des propriétés électro-catalytiques des électrodes (résistance de transfert de charge) et des conditions opératoires.Thus, when the electrochemical cell is powered solely by hydrogen, the anode is the center of an oxidation reaction of hydrogen, according to the following half-equation: H2 2H + + 2e- (1) When the The electrochemical cell is supplied with a gas mixture, for example from the steam reforming of natural gas or bioethanol and operates in a temperature range between 20 and 80 ° C, a second oxidation reaction is possible. This reaction, corresponding to the oxidation of carbon monoxide, takes place at the anode and is also a proton source: CO + H2O CO2 + 2H ++ 2e- (2) Solvent protons, that is to say protons surrounded by water molecules, migrate through the ionomeric membrane under the effect of the electric field and are reduced to the cathode in the form of hydrogen according to the following half-equation: 2H ++ 2e- H2 (3) The flux moles of protonsH ~) which passes through the electrochemical cell is connected to the current I by the following relation: I = 2FiiH + (4) (F) representing the Faraday constant. The electrical voltage useful for extracting hydrogen from the gaseous mixture and recovering it at the cathode at the same pressure as at the anode corresponds to the voltage required for the purification of hydrogen. This voltage depends mainly on the resistance of the membrane, the electrocatalytic properties of the electrodes (charge transfer resistance) and the operating conditions.
Ainsi, la tension électrique de la cellule électrochimique pour la purification d'hydrogène sans compression Ep (V) est donnée par la relation suivante : E p(V) = f1a +n, +RmI (5) dans laquelle : - (ria) et (rie) représentent les surtensions anodique et cathodique associées respectivement aux transferts de charge à l'anode et à la cathode ; - (R,2) est la résistance de la membrane ; et - correspond au courant qui traverse la cellule électrochimique.Thus, the electric voltage of the electrochemical cell for the purification of uncompressed hydrogen Ep (V) is given by the following relation: E p (V) = f1a + n, + RmI (5) in which: - (ria) and (rie) represent the anodic and cathodic overvoltages associated respectively with charge transfers at the anode and at the cathode; - (R, 2) is the resistance of the membrane; and - corresponds to the current flowing through the electrochemical cell.
La grandeur quantitative de la tension électrique supplémentaire E, (V), appliquée à la cellule pour transférer l'hydrogène de faible pression à l'anode vers la cathode à haute pression, est une dérivée de l'équation de Nernst et est donnée par la relation suivante : Ec(V)= -RTln III, (6) 2F n, dans laquelle : - (P/12) et (Pic/2) correspondent aux pressions partielles en hydrogène respectivement à l'anode et à la cathode ; - (/) représente la température de fonctionnement ; - (R) représente la constante des gaz parfait ; et - (F) représente la constante de Faraday. Une cellule électrochimique utilisée dans cette configuration est donc une pompe à protons qui permet de créer un flux d'hydrogène entre les compartiments anodique et cathodique et qui favorise son stockage sous pression. Pour atteindre des pressions élevées de l'ordre de 700 bars, plusieurs solutions ont été proposées dans l'art antérieur, basées sur des systèmes à plusieurs étages de compression.30 Ces systèmes peuvent être très compacts et sans pièce mobile, permettant ainsi d'atteindre des pressions élevées avec une consommation énergétique proche de la compression isotherme. Le principe de compression électrochimique à plusieurs étages est décrit notamment dans le document US 2004/211679. De manière générale, les compresseurs électrochimiques fonctionnent en conditions stationnaires, à une température constante (correspondant avantageusement à la température optimale de la membrane constitutive des cellules électrochimiques) et à courant constant imposé. En pratique, les compresseurs électrochimiques à plusieurs étages de compression sont réalisés par une succession de cellules électrochimiques, ou assemblages membrane-électrodes (AIME), de surfaces équivalentes, et fonctionnant donc à densité de courant constante. Par conséquent, la pression à différents étages de compression reste le seul degré de liberté capable d'influencer le fonctionnement du compresseur. Or, les données expérimentales issues de la littérature (P. Medina, M. Santarelli, 20 International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-86) montrent que la grandeur ng, correspondant au ratio entre le nombre de moles d'eau constituant le cortège entourant les protons et le nombre de moles de protons traversant la membrane, dépend des conditions opératoires de fonctionnement, c'est-à-dire de la température (T), de la densité de courant (j) et de la pression partielle d'hydrogène (PH2). 25 La grandeur ng est illustrée par la relation suivante : f (1',J,PH2) (8) L'expression de la grandeur ng en fonction des paramètres température (T), densité de 30 courant (j) et pression d'hydrogène ( pH2) est donnée par la relation suivante : ng = a + pT +ypH2 +si +ri Tl + 7-p1.12 + ppH2j (7) 10 15 nH20 ng - nH' Dans les conditions de fonctionnement décrites ci-dessus, c'est-à-dire à température constante et à courant constant, en présence de cellules électrochimiques de même surface et donc à densité de courant constante, toute évolution de la grandeur ng est dépendante uniquement de celle de la pression dans le dispositif de compression.The quantitative magnitude of the additional electrical voltage E, (V), applied to the cell to transfer hydrogen from low pressure to the anode to the high pressure cathode, is a derivative of the Nernst equation and is given by the following relationship: Ec (V) = -RTln III, (6) 2F n, in which: - (P / 12) and (Pic / 2) correspond to the hydrogen partial pressures respectively at the anode and at the cathode; - (/) represents the operating temperature; - (R) represents the perfect gas constant; and - (F) represents the Faraday constant. An electrochemical cell used in this configuration is a proton pump that creates a flow of hydrogen between the anode and cathode compartments and promotes its storage under pressure. To achieve high pressures of the order of 700 bar, several solutions have been proposed in the prior art, based on multi-stage compression systems. These systems can be very compact and without moving parts, thus enabling achieve high pressures with energy consumption close to isothermal compression. The principle of electrochemical compression with several stages is described in particular in document US 2004/211679. In general, the electrochemical compressors operate in stationary conditions, at a constant temperature (advantageously corresponding to the optimum temperature of the membrane constituting the electrochemical cells) and at constant constant current. In practice, the electrochemical compressors with several compression stages are made by a succession of electrochemical cells, or membrane-electrode assemblies (AIME), of equivalent surfaces, and therefore operating at a constant current density. Therefore, the pressure at different stages of compression remains the only degree of freedom capable of influencing the operation of the compressor. However, the experimental data from the literature (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-86) show that the quantity ng, corresponding to the ratio between the number of moles of water constituting the procession surrounding the protons and the number of moles of protons crossing the membrane, depends on the operating conditions of operation, that is to say the temperature (T), the current density (j) and the partial pressure of hydrogen (PH2). The quantity ng is illustrated by the following relation: (1 ', J, PH2) (8) The expression of the quantity ng as a function of the temperature (T), current density (j) and pressure parameters Hydrogen (pH2) is given by the following relationship: ## STR2 ## Under the operating conditions described above , ie at constant temperature and constant current, in the presence of electrochemical cells of the same surface and therefore constant current density, any evolution of the quantity ng is dependent solely on that of the pressure in the device of compression.
Les modèles sur l'évolution de la grandeur ng montrent qu'elle décroit linéairement lorsque la pression augmente. Or, le long d'un compresseur électrochimique à plusieurs étages, la pression 10 d'hydrogène augmente et impose un besoin de moins en moins important d'eau pour l'humidification de l'hydrogène, nécessaire au transport des protons au sein de la membrane ionomérique, par exemple en Nafion®. Par conséquent, l'excédent d'eau entre 2 étages consécutifs, dû à la différence de 15 pression d'hydrogène, s'accumule avec un flux constant et constitue une barrière à l'accessibilité de l'hydrogène aux sites réactifs (situés à l'interface électrodes/membrane) et est responsable du noyage des compartiments anodiques des cellules électrochimiques. 20 Ainsi, l'utilisation de ces différents dispositifs de compression électrochimique en configuration de cellules disposées en série se heurte à des problèmes de gestion de l'eau lors de leur fonctionnement. Comme déjà dit, l'accumulation d'eau sous forme liquide entre les différents étages de 25 compression conduit au noyage du compartiment anodique et conditionne le fonctionnement des compresseurs d'hydrogène. Ainsi, cette accumulation d'eau constitue une barrière à l'hydrogène pour accéder à l'interface électrodes/membrane, ce qui impose une purge régulière des compartiments dans lesquels l'eau s'accumule. 30 Il existe donc un besoin évident de mettre au point un dispositif de compression électrochimique de l'hydrogène permettant d'éviter l'accumulation de l'eau.The models on the evolution of the quantity ng show that it decreases linearly when the pressure increases. However, along a multi-stage electrochemical compressor, the hydrogen pressure increases and imposes a decreasing need for water for the humidification of hydrogen, necessary for the transport of protons within the ionomeric membrane, for example Nafion®. Consequently, the excess water between two consecutive stages, due to the difference in hydrogen pressure, accumulates with a constant flow and constitutes a barrier to the accessibility of hydrogen to the reactive sites (located at the electrode / membrane interface) and is responsible for flooding the anode compartments of the electrochemical cells. Thus, the use of these various electrochemical compression devices in the configuration of cells arranged in series faces water management problems during their operation. As already stated, the accumulation of water in liquid form between the different compression stages leads to the flooding of the anode compartment and conditions the operation of the hydrogen compressors. Thus, this accumulation of water is a barrier to hydrogen to access the electrode / membrane interface, which requires regular purging of the compartments in which the water accumulates. There is therefore a clear need to develop an electrochemical hydrogen compression device to prevent the accumulation of water.
EXPOSE DE L'INVENTION L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages, apte à pressuriser de l'hydrogène s'écoulant à travers ce dispositif. Ce compresseur comprend une pluralité d'assemblages membrane- électrodes (AME) reliés en série les uns aux autres, chaque assemblage membrane-électrodes formant une cellule électrochimique. Le compresseur est structuré de telle manière que l'aire de la surface des cellules électrochimiques soit décroissante suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to propose a device forming a multi-stage electrochemical compressor, able to pressurize hydrogen flowing through this device. This compressor comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (AME) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell. The compressor is structured in such a way that the surface area of the electrochemical cells decreases according to the flow of hydrogen through the compressor.
En adaptant ainsi la géométrie des surfaces des cellules électrochimiques d'un compresseur, il est possible de résoudre le problème d'accumulation d'eau aux anodes des cellules électrochimiques dudit compresseur. Il a été en effet constaté que, à mesure que la pression d'hydrogène augmente dans un compresseur, la quantité d'eau nécessaire pour assurer les réactions électrochimiques diminue. Or, une accumulation d'eau nuit au passage de l'hydrogène à travers les membranes des cellules électrochimiques en bloquant l'accès aux électrodes et en exerçant une pression sur les membranes.By thus adapting the geometry of the electrochemical cell surfaces of a compressor, it is possible to solve the problem of water accumulation at the anodes of the electrochemical cells of said compressor. It has indeed been found that, as the hydrogen pressure increases in a compressor, the amount of water needed to ensure the electrochemical reactions decreases. However, an accumulation of water impairs the passage of hydrogen through the membranes of electrochemical cells by blocking access to the electrodes and exerting pressure on the membranes.
Selon l'invention, la diminution de l'aire des surfaces des cellules électrochimiques a pour conséquence une répartition sur une surface plus petite du courant constant appliqué aux cellules. Ceci résulte en une augmentation de la densité de courant appliquée aux électrodes des cellules électrochimiques suivant le flux d'hydrogène dans le compresseur. En augmentant la densité de courant appliquée, il devient possible de compenser l'effet d'une augmentation de la pression d'hydrogène sur le rapport ng défini ci-avant. Un dispositif selon l'invention est apte à purifier et/ou à pressuriser de l'hydrogène. Il peut donc être utilisé en relation avec de l'hydrogène pur ou avec un mélange gazeux 30 contenant de l'hydrogène, notamment issu du vaporeformage.According to the invention, the reduction of the surface area of the electrochemical cells results in a distribution on a smaller surface of the constant current applied to the cells. This results in an increase in the current density applied to the electrodes of the electrochemical cells according to the flow of hydrogen in the compressor. By increasing the current density applied, it becomes possible to compensate for the effect of an increase in the hydrogen pressure on the ratio ng defined above. A device according to the invention is capable of purifying and / or pressurizing hydrogen. It can therefore be used in connection with pure hydrogen or with a gaseous mixture containing hydrogen, in particular resulting from steam reforming.
Comme déjà dit, ce dispositif comprend une pluralité d'assemblages membrane-électrodes (AME) reliés en série les uns aux autres, chaque assemblage membrane-électrodes formant une cellule électrochimique. De manière connue, un tel dispositif est appelé compresseur à plusieurs étages. En d'autres termes, il comprend au moins deux AME, la cathode du premier AMIE étant disposée en série avec l'anode du second AMIE. Le premier AMIE est celui disposé au niveau de l'entrée du flux gazeux qui arrive donc à l'anode du premier AMIE, tandis que le second AMIE est celui disposé au niveau de la sortie de l'hydrogène pressurisé, recueilli au niveau de la cathode du second AME.As already stated, this device comprises a plurality of membrane-electrode assemblies (AME) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell. In known manner, such a device is called multistage compressor. In other words, it comprises at least two AMEs, the cathode of the first AMIE being arranged in series with the anode of the second AMIE. The first AMIE is the one arranged at the level of the entry of the gas flow which thus arrives at the anode of the first AMIE, while the second AMIE is the one arranged at the level of the exit of the pressurized hydrogen, collected at the level of the cathode of the second MEA.
Dans le cadre de l'invention, le fait que les AME soient reliés en série permet donc d'assurer le long du compresseur, d'une cellule électrochimique à la suivante, le passage du flux gazeux et du flux de courant. En d'autres termes, le dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages, est apte à pressuriser de l'hydrogène s'écoulant à travers ce dispositif. Il comprend : une entrée et une sortie d'hydrogène ; n assemblages membrane-électrodes (AME), avec n étant un nombre entier égal ou supérieur à 2 ; lesdits AME étant agencés de sorte à être traversés par un flux d'hydrogène, et étant connectés en série les uns aux autres et électriquement isolées les uns des autres ; chacun des AME comprenant une surface active apte à assurer les réactions d'oxydo-réduction de l'hydrogène ; les AME présentant des surfaces actives distinctes les unes des autres, et décroissant selon la direction de circulation de l'hydrogène.In the context of the invention, the fact that the MEAs are connected in series thus makes it possible to ensure the passage of the gas flow and the flow of current along the compressor, from one electrochemical cell to the next. In other words, the device forming a multi-stage electrochemical compressor is able to pressurize hydrogen flowing through this device. It includes: an inlet and a hydrogen outlet; n membrane-electrode assemblies (AME), where n is an integer equal to or greater than 2; said MEAs being arranged to be traversed by a stream of hydrogen, and being connected in series with each other and electrically isolated from each other; each of the MEAs comprising an active surface capable of performing the oxidation-reduction reactions of hydrogen; MEAs having active surfaces that are distinct from one another and decreasing in the direction of circulation of hydrogen.
Dans ce dispositif, chacun des AME est avantageusement destiné à être relié à une source externe de courant électrique unique. Lors de la mise en oeuvre du dispositif, chaque AME peut cependant être connecté à une source distincte de courant électrique.In this device, each of the MEAs is advantageously intended to be connected to an external source of single electrical current. When implementing the device, however, each MEA may be connected to a separate source of electrical power.
La surface active des cellules électrochimiques du dispositif décroit dans le sens de circulation de l'hydrogène. En d'autres termes, l'AME de la nième cellule électrochimique présente une surface active supérieure à celle de l'AME de la n+1 cellule électrochimique positionnée en aval de la nième cellule électrochimique.The active surface of the electrochemical cells of the device decreases in the direction of circulation of the hydrogen. In other words, the AME of the nth electrochemical cell has an active surface area greater than that of the AME of the n + 1 electrochemical cell positioned downstream of the nth electrochemical cell.
En outre, l'entrée d'hydrogène est de préférence au niveau du compartiment anodique du premier AME, alors que la sortie d'hydrogène est de préférence au niveau du compartiment cathodique du dernier AME.In addition, the hydrogen inlet is preferably at the anode compartment of the first MEA, while the hydrogen outlet is preferably at the cathode compartment of the last MEA.
De manière classique, un AME comprend une membrane conductrice protonique constituée d'un matériau, requérant avantageusement la présence d'eau pour le transport des protons. Selon un mode de réalisation particulier, la membrane est constituée d'un ionomère de 10 type PFSA (Acide PerFluoroSulfonique) tel que le Nafion® ou l'Aquivion . Toutefois, d'autres matériaux peuvent être utilisés pour servir à la fabrication d'une membrane échangeuses de protons. Ainsi, il peut également s'agir : - de polyéthercétones sulfonées (sPEEK), tels que décrits par K.D. Kreuer (Journal of Membrane Science 185 (2001) 29-39) ; 15 - de polybenzimidazole (PBI) ou d'acide polystyrène sulfonique (PSSA), tel que décrits par Pivovar et al. (Journal of The Electrochemical Society, 152 (1) A53-A60 (2005)). Le transport des molécules d'eau (coefficient d'électroosmose) au sein des matériaux 20 diffère selon la nature des matériaux utilisés. Il est généralement déterminé expérimentalement et permet d'établir des lois empiriques d'évolution en fonction des paramètres expérimentaux, notamment la température et la pression. De manière classique, la membrane sépare les deux électrodes, l'anode et la cathode 25 respectivement. Avantageusement, la membrane est en contact direct avec les électrodes. Selon un mode de réalisation particulier, la membrane sert de support aux électrodes et présente donc une aire supérieure ou égale à celle des électrodes. De manière appropriée, les électrodes comprennent un catalyseur des réactions 30 électrochimiques décrites ci-dessus, avantageusement du platine ou un alliage de platine, supporté par du carbone. Les électrodes peuvent également contenir un ionomère, avantageusement de même nature que celui constitutif de la membrane.Conventionally, an MEA comprises a proton conductive membrane made of a material, advantageously requiring the presence of water for the transport of protons. According to a particular embodiment, the membrane consists of an ionomer of the PFSA (PerFluoroSulfonic Acid) type such as Nafion® or Aquivion. However, other materials can be used for the manufacture of a proton exchange membrane. Thus, it may also be: - sulfonated polyetherketones (SPEEKs), as described by K.D. Kreuer (Journal of Membrane Science 185 (2001) 29-39); Polybenzimidazole (PBI) or polystyrene sulfonic acid (PSSA), as described by Pivovar et al. (Journal of the Electrochemical Society, 152 (1) A53-A60 (2005)). The transport of water molecules (electroosmosis coefficient) within the materials differs according to the nature of the materials used. It is generally determined experimentally and makes it possible to establish empirical laws of evolution as a function of the experimental parameters, in particular the temperature and the pressure. Conventionally, the membrane separates the two electrodes, the anode and the cathode respectively. Advantageously, the membrane is in direct contact with the electrodes. According to a particular embodiment, the membrane serves as a support for the electrodes and therefore has an area greater than or equal to that of the electrodes. Suitably, the electrodes comprise a catalyst of the electrochemical reactions described above, preferably platinum or a platinum alloy, supported by carbon. The electrodes may also contain an ionomer, advantageously of the same nature as that constituting the membrane.
Dans le cadre de l'invention et de manière avantageuse, l'aire de la surface des cellules électrochimiques est définie comme l'aire utile aux réactions électrochimiques (surface active de l'AME). Encore plus avantageusement, il s'agit de la surface commune aux deux électrodes et à la membrane. Ladite surface permet notamment le passage du courant et du flux gazeux. En d'autres termes, cette aire correspond à celle de la surface connectée électriquement et en contact avec le flux gazeux (en particulier l'hydrogène) au niveau de chaque cellule électrochimique. Selon un mode de réalisation particulier, les électrodes et la membrane présentent les 10 mêmes dimensions et donc une surface de même aire, avantageusement superposée. Selon un autre mode de réalisation, les deux électrodes anode et cathode présentent des mêmes dimensions et donc une surface de même aire, possiblement inférieure à celle de la membrane. 15 De manière caractéristique selon l'invention, le premier AMIE présente une aire de surface supérieure à celle du second AME. Plus généralement et en considérant une succession d'AME disposés en série, la nième (n) AMIE présente une aire de surface supérieure à celle de l'AME suivant (n+1). 20 Selon un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes est constant suivant le flux d'hydrogène à travers le dispositif. En raison de la décroissance de l'aire de la surface entre deux cellules électrochimiques successives, le volume du compartiment délimité par ces deux cellules 25 électrochimiques successives est avantageusement décroissant suivant le flux d'hydrogène à travers le dispositif. En maintenant constant l'espacement entre les cellules électrochimiques du compresseur, tout en réduisant l'aire de la surface des cellules électrochimiques suivant 30 le flux d'hydrogène dans le compresseur, le volume délimité par les parois du compresseur et deux cellules électrochimiques voisines est réduit. Ceci procure un second avantage lié à la géométrie originale de l'invention, qui consiste à augmenter la pression d'hydrogène sans appliquer d'énergie électrique supplémentaire. Ceci contribue à rendre le compresseur électrochimique de l'invention plus économe en énergie. Selon un autre mode de réalisation, l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes du dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages varie suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur. Notamment, l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes du dispositif formant un compresseur électrochimique à plusieurs étages diminue suivant le flux d'hydrogène à travers le compresseur. Une diminution de l'espacement entre cellules électrochimiques voisines permet de profiter davantage du gain en pression d'hydrogène lié uniquement à la géométrie du dispositif. Selon un mode de réalisation particulier, l'aire de la surface (S.) d'une nième cellule électrochimique (n étant un nombre entier) dans le compresseur comprenant une pluralité de cellules est déterminée par la relation suivante : S S1x /1S2xj2 n in Jn dans laquelle, (Si) et (S2) représentent l'aire de la surface de la première et la deuxième cellule électrochimique respectivement, et (ji), (j2) et (je) représentent la densité de courant traversant respectivement la première, la deuxième et la nième cellule électrochimique. De manière encore plus avantageuse, ladite densité de courant (je) est définie par la relation suivante : ng - + 131)- (y + T)19/11, +rill+ ppçi, dans laquelle : ng représente le ratio entre le nombre de moles d'eau entourant les protons et le nombre de moles des protons traversant la cellule électrochimique et dépend de la nature de la membrane utilisée dans la cellule électrochimique ; - (a), (13), (y) , (8), , G) et (.i) sont des constantes, avantageusement déterminées de manière empirique pour le matériau considéré (membrane utilisée) ; - (T) représente la température de fonctionnement du dispositif et est avantageusement constante ; - ( p ) représente la pression partielle en hydrogène en sortie de la nième cellule électrochimique. La dépendance du paramètre ng en fonction de la pression et de la densité de courant indique ici que l'augmentation de la densité de courant permet d'augmenter ng tandis que l'augmentation de la pression diminue ng. Ainsi, grâce aux relations décrites ci- avant, il est possible de quantifier les variations de ng et adapter la géométrie du dispositif en conséquence. Selon un mode particulier de réalisation, notamment à courant appliqué à chaque cellule électrochimique constant et identique pour toutes les cellules électrochimiques, les aires des surfaces des cellules électrochimiques sont choisies de manière à garantir une valeur constante de la grandeur ng le long du dispositif, et en l'occurrence le long des étages de compression. Pour rappel, ng correspondant au rapport entre le nombre de moles m d'eau constituant le cortège entourant les protons d'une part, et le nombre de moles n de protons traversant la membrane d'une cellule électrochimique d'autre part lors des réactions d' oxydo-réduction de l'hydrogène. Pour ce faire, les aires des surfaces des cellules électrochimiques sont choisies pour que les variations de densité de courant compensent les variations de pression le long du compresseur.In the context of the invention and advantageously, the surface area of the electrochemical cells is defined as the area useful for the electrochemical reactions (active surface of the MEA). Even more advantageously, it is the common surface of the two electrodes and the membrane. Said surface allows in particular the passage of the current and the gas flow. In other words, this area corresponds to that of the surface electrically connected and in contact with the gas flow (in particular hydrogen) at each electrochemical cell. According to a particular embodiment, the electrodes and the membrane have the same dimensions and therefore a surface of the same area, advantageously superimposed. According to another embodiment, the two anode and cathode electrodes have the same dimensions and therefore a surface of the same area, possibly less than that of the membrane. Typically according to the invention, the first AMIE has a surface area greater than that of the second MEA. More generally and considering a succession of MEAs arranged in series, the nth (n) AMIE has a surface area greater than that of the next MEA (n + 1). According to a first embodiment of the device according to the invention, the spacing between adjacent electrochemical cells is constant according to the flow of hydrogen through the device. Due to the decrease in the area of the surface between two successive electrochemical cells, the volume of the compartment delimited by these two successive electrochemical cells is advantageously decreasing according to the flow of hydrogen through the device. By keeping the spacing between the electrochemical cells of the compressor constant, while reducing the surface area of the electrochemical cells according to the flow of hydrogen in the compressor, the volume delimited by the walls of the compressor and two neighboring electrochemical cells is reduced. This provides a second advantage related to the original geometry of the invention, which is to increase the hydrogen pressure without applying additional electrical energy. This contributes to making the electrochemical compressor of the invention more energy efficient. According to another embodiment, the spacing between adjacent electrochemical cells of the device forming a multistage electrochemical compressor varies according to the flow of hydrogen through the compressor. In particular, the spacing between adjacent electrochemical cells of the device forming a multi-stage electrochemical compressor decreases according to the flow of hydrogen through the compressor. A decrease in the spacing between adjacent electrochemical cells makes it possible to benefit more from the gain in hydrogen pressure related solely to the geometry of the device. According to a particular embodiment, the area of the surface (S.) of an nth electrochemical cell (n being an integer) in the compressor comprising a plurality of cells is determined by the following relation: S S1x / 1S2xj2 n in which, (Si) and (S2) represent the surface area of the first and second electrochemical cells respectively, and (ji), (j2) and (i) represent the current density respectively passing through the first , the second and the nth electrochemical cell. Even more advantageously, said current density (I) is defined by the following relation: ng - + 131) - (y + T) 19/11, + rill + ppci, in which: ng represents the ratio between the number of moles of water surrounding the protons and the number of moles of protons passing through the electrochemical cell and depends on the nature of the membrane used in the electrochemical cell; - (a), (13), (y), (8),, G) and (i) are constants, advantageously determined empirically for the material under consideration (membrane used); - (T) represents the operating temperature of the device and is advantageously constant; - (p) represents the hydrogen partial pressure at the outlet of the nth electrochemical cell. The dependence of the parameter ng as a function of the pressure and the current density indicates here that the increase in the current density makes it possible to increase ng while the increase of the pressure decreases ng. Thus, thanks to the relationships described above, it is possible to quantify the variations of ng and adapt the geometry of the device accordingly. According to a particular embodiment, in particular with current applied to each electrochemical cell constant and identical for all the electrochemical cells, the areas of the surfaces of the electrochemical cells are chosen so as to guarantee a constant value of the magnitude ng along the device, and in this case along the compression stages. As a reminder, ng corresponding to the ratio between the number of moles m of water constituting the procession surrounding the protons on the one hand, and the number of moles n of protons crossing the membrane of an electrochemical cell on the other hand during the reactions oxidation reduction of hydrogen. To do this, the surface areas of the electrochemical cells are chosen so that the variations in current density compensate for the pressure variations along the compressor.
Selon un autre aspect, l'invention vise un procédé de compression électrochimique de l'hydrogène ou d'un mélange gazeux contenant de l'hydrogène basé sur l'utilisation d'un dispositif comprenant une pluralité d'assemblages membrane-électrodes (AM_E) reliés en série les uns aux autres, chaque assemblage membrane-électrodes formant une cellule électrochimique, en particulier un dispositif tel que décrit ci-dessus.30 Un tel procédé comporte les étapes suivantes : application d'un courant électrique constant à chaque cellule électrochimique d'un ensemble de cellules électrochimiques reliées en série, l'intensité dudit courant électrique étant la même pour chaque cellule électrochimique, injection d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène dans un premier compartiment anodique, avantageusement dans le comportement anodique de la première cellule électrochimique de l'ensemble des cellules ; traversée, par l'hydrogène, d'une succession de cellules électrochimiques soumises à des densités de courant successivement croissantes.According to another aspect, the invention is directed to a method for electrochemically compressing hydrogen or a gaseous mixture containing hydrogen based on the use of a device comprising a plurality of membrane-electrode assemblies (AM_E) connected in series with each other, each membrane-electrode assembly forming an electrochemical cell, in particular a device as described above. Such a method comprises the following steps: applying a constant electric current to each electrochemical cell of the electrochemical cell. a set of electrochemical cells connected in series, the intensity of said electric current being the same for each electrochemical cell, injection of a gaseous mixture comprising hydrogen in a first anode compartment, advantageously in the anode behavior of the first cell electrochemical of all cells; through hydrogen, a succession of electrochemical cells subjected to successively increasing current densities.
La densité de courant est définie par la formule mentionnée ci-dessus. Dans ce procédé, le ratio ng est avantageusement constant tout au long du dispositif Dans ce procédé, la température est avantageusement maintenue constante. De manière encore plus avantageuse, elle correspond à la température optimale de la membrane mise en oeuvre dans les cellules électrochimiques. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES D'autres buts et aspects avantageux de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif à l'appui des figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente le principe de la purification et de la compression d'hydrogène à travers une cellule électrochimique. - la figure 2 représente un compresseur d'hydrogène à travers un empilement à étages de cellules électrochimiques présentant des surfaces d'aire identique. - la figure 3 représente un dispositif selon l'invention, c'est-à-dire un empilement à étages de cellules électrochimiques présentant des surfaces d'aire décroissante dans le sens du flux d'hydrogène et d'eau.The current density is defined by the formula mentioned above. In this process, the ratio ng is advantageously constant throughout the device. In this process, the temperature is advantageously kept constant. Even more advantageously, it corresponds to the optimum temperature of the membrane used in the electrochemical cells. SUMMARY DESCRIPTION OF THE FIGURES Other objects and advantageous aspects of the invention will emerge more clearly from a reading of the detailed description which follows, given for information only and in no way limitative, in support of the appended figures, in which: FIG. the principle of purification and compression of hydrogen through an electrochemical cell. FIG. 2 represents a hydrogen compressor through a stack of electrochemical cells having surfaces of identical area. FIG. 3 represents a device according to the invention, that is to say a staged stack of electrochemical cells having areas of decreasing area in the direction of the flow of hydrogen and water.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il va à présent être décrit un dispositif permettant de résoudre le problème d'accumulation d'eau au niveau des électrodes et membranes des cellules électrochimiques d'un compresseur, tout en réduisant l'énergie électrique nécessaire pour obtenir de l'hydrogène comprimé. La figure 1 décrit le principe de fonctionnement d'un compresseur électrochimique d'hydrogène.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION It will now be described a device for solving the problem of water accumulation at the electrochemical cell electrodes and membranes of a compressor, while reducing the electrical energy required to obtain compressed hydrogen. Figure 1 describes the operating principle of an electrochemical hydrogen compressor.
La cellule électrochimique, est constituée d'un assemblage membrane/électrodes, dans laquelle la et le sont respectivement les compartiments anodique et cathodique ; 2a et 2c sont des couches de de diffusion, généralement en matériau carboné poreux ; 3a et 3c sont respectivement les électrodes d'anode et de cathode ; et, 4 est la membrane échangeuse de protons de résistance (Rm). À une température optimale de la membrane (T), un courant constant (I) correspond à un flux constant du nombre de moles de protons H+, imposé par une surtension électrique AV.The electrochemical cell consists of a membrane / electrode assembly, in which the and the are respectively the anode and cathode compartments; 2a and 2c are diffusion layers, generally of porous carbonaceous material; 3a and 3c are respectively the anode and cathode electrodes; and, 4 is the resistance proton exchange membrane (Rm). At an optimum temperature of the membrane (T), a constant current (I) corresponds to a constant flux of the number of moles of H + protons, imposed by an electrical surge AV.
Dans le cas d'une purification avec compression, lorsqu'un flux d'hydrogène et d'eau traverse une cellule électrochimique, la pression en hydrogène en sortie de cathode (pH z) est supérieure à la pression en hydrogène à l'anode (19;12). Ainsi la surtension électrique nécessaire pour amorcer la réaction est définie par la formule suivante : AV = A + A V, , dans laquelle 3,1/, = RT In Phi2 , 2F p Ha 2 La grandeur ng, correspondant au ratio entre le nombre (m) de moles d'eau constituant le cortège entourant les protons et le nombre (n) de moles de protons traversant la membrane, dépend des conditions opératoires de fonctionnement, c'est-à-dire de la température, la densité de courant et la pression partielle d'hydrogène, soit : ng = -m = f(T, j, pcH2) . On peut donc prédire que le ratio (ng) diminue lorsque la pression partielle en hydrogène à la cathode (pk ) augmente, et donc que le nombre de moles de protons traversant la membrane augmente. La figure 2 illustre un compresseur comprenant k cellules électrochimiques (AMEs) de surfaces de même aire. Dans ce type de compresseur à plusieurs étages, on observe une croissance de la pression partielle en hydrogène le long des étages de compression. Ainsi, p1 < pH22<piii-1<pHk2. Les assemblages membrane/électrodes (AME) ont des surfaces de même aire (S) alors que ng n'est fonction que de la pression d'hydrogène. Il s'ensuit donc que cette fonction décroit avec l'augmentation de la pression, par conséquent le paramètre (m ) correspondant au nombre de moles d'eau traversant la membrane conductrice protonique décroit le long des étages.In the case of compression purification, when a flow of hydrogen and water passes through an electrochemical cell, the hydrogen pressure at the cathode outlet (pH z) is greater than the hydrogen pressure at the anode ( 19; 12). Thus the electrical surge required to initiate the reaction is defined by the following formula: AV = A + AV, in which 3.1 /, = RT In Phi2, 2F p Ha 2 The quantity ng, corresponding to the ratio between the number ( m) of moles of water constituting the procession surrounding the protons and the number (n) of moles of protons crossing the membrane, depends on the operating conditions of operation, that is to say the temperature, the current density and the hydrogen partial pressure, ie: ng = -m = f (T, j, pcH2). It can therefore be predicted that the ratio (ng) decreases as the hydrogen partial pressure at the cathode (pk) increases, and thus the number of moles of protons crossing the membrane increases. FIG. 2 illustrates a compressor comprising k electrochemical cells (AMEs) of surfaces of the same area. In this type of multistage compressor, there is a growth of the hydrogen partial pressure along the compression stages. Thus, p1 <pH22 <piii-1 <pHk2. The membrane / electrode assemblies (AME) have surfaces of the same area (S) whereas ng is only a function of the hydrogen pressure. It follows therefore that this function decreases with increasing pressure, therefore the parameter (m) corresponding to the number of moles of water passing through the protonic conductive membrane decreases along the stages.
Dans le but d'améliorer la gestion de l'eau dans les compresseurs électrochimiques à plusieurs étages de compression, il est proposé de modifier la densité de courant le long des étages de compression. Ainsi l'évolution de la grandeur ng dépendra de deux paramètres à savoir la pression et la densité de courant. L'effet de la pression sur la grandeur ng sera contrebalancé par celui de la densité de courant de façon à maintenir la grandeur ng constante le long du compresseur, ce qui permettra d'éviter toute accumulation d'eau entre deux étages consécutifs.In order to improve the management of water in electrochemical compressors with multiple compression stages, it is proposed to modify the current density along the compression stages. Thus the evolution of the size ng will depend on two parameters namely the pressure and the current density. The effect of the pressure on the magnitude ng will be counterbalanced by that of the current density so as to maintain the constant magnitude ng along the compressor, which will prevent any accumulation of water between two consecutive stages.
Des différents modèles tirés de la littérature, on note une croissance de la grandeur ng dans le même sens que celle de la densité de courant. Cela suggère que pour compenser la diminution de la grandeur ng due à l'effet de la pression, il est nécessaire d'augmenter la densité de courant.30 A cet effet, l'invention propose une diminution de l'aire de la surface des cellules électrochimiques le long du compresseur qui permet cette augmentation à courant constant (Figure 3). Le rapport de réduction entre les surfaces de deux cellules électrochimiques consécutives dépend des conditions opératoires optimales souhaitées.From the different models taken from the literature, we note a growth of the quantity ng in the same direction as that of the current density. This suggests that to compensate for the decrease in the magnitude ng due to the effect of the pressure, it is necessary to increase the current density. For this purpose, the invention proposes a reduction in the surface area of the cells. electrochemical cells along the compressor that allows this increase to constant current (Figure 3). The reduction ratio between the surfaces of two consecutive electrochemical cells depends on the desired optimal operating conditions.
La présente invention fournit un moyen de calculer les surfaces des cellules électrochimiques (S) constituant le compresseur à plusieurs étages. L'expression de la grandeur ng en fonction des paramètres température (T), densité de courant (j) et pression d'hydrogène ( ) est donnée par la relation suivante : ng = a + pT + ypH2 +riTi -FTPH2 PPH2i - L'objectif est de maintenir un flux d'eau constant le long du compresseur électrochimique à température et à courant constants, ce qui permet d'obtenir une dépendance exclusivement entre la pression d'hydrogène et la densité de courant. La relation peut se réécrire de la façon suivante : ng =(a+ p7-)+ (y +7-)pki2 + + nT» + PPH2i - A une température donnée, la grandeur ng est connue ou peut être déterminée expérimentalement. On peut donc pour chaque valeur ng donnée établir la relation entre la densité de courant et la pression d'hydrogène, soit la relation suivante : ng - + pT)- (y + MPH2 (5 +7771+ I1PH2 En connaissant la valeur de la pression, il est donc possible d'en déduire la densité de courant adaptée et, dans le cas d'un fonctionnement à courant constant, l'aire de la surface adaptée.The present invention provides a means for calculating the surfaces of the electrochemical cells (S) constituting the multi-stage compressor. The expression of the quantity ng as a function of the parameters temperature (T), current density (j) and hydrogen pressure () is given by the following relation: ng = a + pT + ypH2 + riTi -FTPH2 PPH2i - L The objective is to maintain a constant flow of water along the electrochemical compressor at constant temperature and current, which makes it possible to obtain a dependence exclusively between the hydrogen pressure and the current density. The relation can be rewritten in the following way: ng = (a + p7 -) + (y + 7-) pki2 + + nT "+ PPH2i - At a given temperature, the quantity ng is known or can be determined experimentally. For each given value ng, therefore, we can establish the relation between the current density and the hydrogen pressure, namely the following relation: ng - + pT) - (y + MPH2 (5 +7771 + I1PH2) Knowing the value of the pressure, it is therefore possible to deduce the appropriate current density and, in the case of constant current operation, the area of the adapted surface.
D'autre part, l'espacement entre les assemblages membrane électrode dans le compresseur permet d'ajuster la pression d'hydrogène entre deux cellules électrochimiques voisines. Ainsi, en gardant un espacement constant entre cellules électrochimiques adjacentes (tel que cela est représenté sur les figures 2 et 3), le volume du compartiment délimité par deux cellules électrochimiques successives diminue le long du flux d'hydrogène dans le compresseur. On obtient ainsi une augmentation supplémentaire de la pression sans fournir d'énergie électrique supplémentaire. La surtension électrique AV nécessaire pour amorcer les réactions électrochimiques s'écrit alors en fonction des pressions d'hydrogène /II, à l'étage I et /11±21 à l'étage I+1 et les volumes VI et T71+1 des compartiments délimités respectivement par les cellules I et I+1 d'une part et les cellules I+1 et 1+2 d'autre part, sous la forme : pI+1 4T7 =Riln H2 RT1n vi pI ' H2 VIA Dans cette expression, le second terme représente un gain d'énergie électrique dû à la diminution du volume des compartiments délimités par les cellules électrochimiques I et I+1 d'une part et les cellules I+1 et 1+2 d'autre part.On the other hand, the spacing between the membrane electrode assemblies in the compressor makes it possible to adjust the hydrogen pressure between two adjacent electrochemical cells. Thus, by keeping a constant spacing between adjacent electrochemical cells (as shown in FIGS. 2 and 3), the volume of the compartment delimited by two successive electrochemical cells decreases along the flow of hydrogen in the compressor. This gives a further increase in pressure without providing additional electrical energy. The AV electrical overvoltage required to initiate the electrochemical reactions is then written as a function of the hydrogen / II pressures, at the I stage and / 11 ± 21 at the I + 1 stage and the volumes VI and T71 + 1 of the compartments delimited respectively by cells I and I + 1 on the one hand and cells I + 1 and 1 + 2 on the other hand, in the form: pI + 1 4T7 = Riln H2 RT1n vi pI 'H2 VIA In this expression the second term represents a gain in electrical energy due to the decrease in the volume of the compartments delimited by the electrochemical cells I and I + 1 on the one hand and the cells I + 1 and 1 + 2 on the other hand.
De cette manière, il est possible d'adapter l'espacement entre les électrodes de manière à optimiser le gain d'énergie électrique dû à la diminution du volume des compartiments délimités par deux cellules électrochimiques successives suivant le flux d'hydrogène dans le compresseur. Non seulement ce gain est intéressant lorsque l'espacement entre cellules électrochimiques successives est maintenu constant, mais il peut par ailleurs être optimisé en réduisant d'avantage l'espacement entre cellules électrochimiques adjacentes. La connaissance des variations du paramètre ng en fonction de la pression d'hydrogène et de la densité de courant permet d'adapter la géométrie d'un compresseur électrochimique afin de résoudre le problème d'accumulation d'eau sur les anodes des cellules électrochimiques et d'obtenir un gain sur l'énergie électrique nécessaire pour amorcer les réactions électrochimiques. EXEMPLE DE REALISATION Dans cet exemple, les cellules électrochimiques qui composent le compresseur électrochimique sont soumises aux mêmes contraintes mécaniques. Par conséquent, la même différence de pression d'hydrogène est imposée au niveau des différentes cellules électrochimiques. Cette différence de pression est choisie en fonction de l'épaisseur et des propriétés mécaniques de la membrane échangeuse de protons. Dans cet exemple, la membrane échangeuse de protons est constituée de Nafion . Ainsi, la température de fonctionnement du compresseur est choisie en fonction de la température optimale de ce matériau, égale à 80°C. Le compresseur fonctionne à température constante. A titre d'exemple, l'invention permet de calculer les surfaces (S) de chaque cellule électrochimique pour un compresseur à quatre étages, composé de cinq cellules électrochimiques, la surface de la première cellule étant imposée. Dans cet exemple et pour chaque cellule, la surface des deux électrodes est égale à la surface de la membrane. En outre, cette surface correspond à la surface utile, c'est-à-dire à la surface sur laquelle les réactions électrochimiques peuvent avoir lieu (en contact avec le flux gazeux, notamment d'hydrogène et le courant). Selon l'invention et comme déjà dit, un courant constant est imposé, en l'occurrence égale à 100A. La surface du premier assemblage membrane/électrodes (AME) So est fixée à 100 cm2.In this way, it is possible to adapt the spacing between the electrodes so as to optimize the gain in electrical energy due to the decrease in the volume of the compartments delimited by two successive electrochemical cells according to the flow of hydrogen in the compressor. Not only is this gain advantageous when the spacing between successive electrochemical cells is kept constant, but it can also be optimized by further reducing the spacing between adjacent electrochemical cells. The knowledge of the variations of the parameter ng as a function of the hydrogen pressure and the current density makes it possible to adapt the geometry of an electrochemical compressor in order to solve the problem of water accumulation on the anodes of the electrochemical cells and to obtain a gain on the electrical energy necessary to initiate the electrochemical reactions. EXAMPLE OF EMBODIMENT In this example, the electrochemical cells that make up the electrochemical compressor are subjected to the same mechanical stresses. Consequently, the same difference in hydrogen pressure is imposed on the different electrochemical cells. This pressure difference is chosen as a function of the thickness and the mechanical properties of the proton exchange membrane. In this example, the proton exchange membrane is made of Nafion. Thus, the operating temperature of the compressor is chosen according to the optimum temperature of this material, equal to 80 ° C. The compressor runs at a constant temperature. By way of example, the invention makes it possible to calculate the surfaces (S) of each electrochemical cell for a four-stage compressor composed of five electrochemical cells, the surface of the first cell being imposed. In this example and for each cell, the surface of the two electrodes is equal to the surface of the membrane. In addition, this surface corresponds to the useful surface, that is to say to the surface on which the electrochemical reactions can take place (in contact with the gas flow, in particular hydrogen and the current). According to the invention and as already said, a constant current is imposed, in this case equal to 100A. The surface of the first membrane / electrode assembly (AME) So is set at 100 cm 2.
30 Au vu du courant (I) constant de 200 A imposé, ceci correspond à une densité de courant (jo) égale à 2 A/cm2. Le premier assemblage membrane/électrodes (AME) So est soumis à une différence de pression nulle et la pression d'entrée d'hydrogène dans le compresseur électrochimique est la pression atmosphérique (1 bar).In view of the constant current (I) of 200 A imposed, this corresponds to a current density (jo) equal to 2 A / cm 2. The first membrane / electrode assembly (AME) So is subjected to a zero pressure difference and the hydrogen inlet pressure in the electrochemical compressor is the atmospheric pressure (1 bar).
25 Chaque assemblage membrane/électrodes (AME) est soumis à une différence de pression de l'ordre de 5 bars. Des données issues de la littérature permettent d'établir la relation ci-dessous entre la densité de courant et la pression d'hydrogène (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173 - 5186) : ng = + p71+ (y + 7-)pki2 + +777-» + /IP H2.i - avec a=2,27 ; 13=0,003 ; y=-0,02 ; 8=-0,70 ; i=0,005 ; =-0,0002 et 1.1=0,02 et avec T exprimé en °C, P en bars et j en A/cm2. Pour le Nafion parfaitement hydraté à 40°C et à pression atmosphérique (1 bar, 101 1(13a), sous une densité de courant de 200 A/cm2, la valeur de ng égale à 1,39. Avec cette même relation, et en maintenant ng et la température constants tout le long des différentes étages du compresseur, nous pouvons exprimer la densité de courant en fonction de de P : ng - + pT) - (y + 7-)PH2 (6 +riT)+ /IP H2 -1+ 0,028pH, = - 0.5 + 0,02pH, Le courant I traversant tous les AMIE étant constant, alors Sn x jn = constante. Par consequent, So xjo = Sl xji = S2 Xj2= 53 X i3 = 54X i4 25 à p(fli) = 6 bars, ji vaut 2,15 A/cm2 d'où Si = 93 cm2 ; à e= 11 bars, j2 vaut 2,40 A/cm2 d'où S2 = 83 cm2 ; = 16 bars, j3 vaut 2,90 A/cm2 d'où S3 = 69 cm2 ; 20Each membrane / electrode assembly (AME) is subjected to a pressure difference of the order of 5 bars. Data from the literature establishes the following relationship between current density and hydrogen pressure (P. Medina, M. Santarelli, International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-5186): ng = + p71 + (y + 7-) pki2 + + 777- + / IP H2 + - with a = 2.27; 13 = 0.003; y = -0.02; 8 = -0.70; i = 0.005; = -0.0002 and 1.1 = 0.02 and with T expressed in ° C, P in bars and in A / cm2. For the Nafion perfectly hydrated at 40 ° C and at atmospheric pressure (1 bar, 101 l (13a), under a current density of 200 A / cm 2, the value of ng equal to 1.39 With this same relationship, and by keeping ng and temperature constant all along the different stages of the compressor, we can express the current density as a function of P: ng - + pT) - (y + 7-) PH2 (6 + riT) + / IP H2 -1+ 0.028pH, = - 0.5 + 0.02pH, The current I crossing all the AMIE being constant, then Sn x jn = constant. Therefore, S x x = S x 1 = S 2 X i 2 = 53 X 13 = 54 x 14 at p (fl 1) = 6 bar, where 2.1 is 2.15 A / cm 2 where Si = 93 cm 2; at e = 11 bar, J 2 is 2.40 Å / cm 2 from which S 2 = 83 cm 2; = 16 bar, j3 is 2.90 A / cm 2, whence S3 = 69 cm 2; 20
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