FR3091749A1 - Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte - Google Patents
Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte Download PDFInfo
- Publication number
- FR3091749A1 FR3091749A1 FR1900288A FR1900288A FR3091749A1 FR 3091749 A1 FR3091749 A1 FR 3091749A1 FR 1900288 A FR1900288 A FR 1900288A FR 1900288 A FR1900288 A FR 1900288A FR 3091749 A1 FR3091749 A1 FR 3091749A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- burner
- membrane
- dihydrogen
- proton exchange
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 111
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 96
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title abstract description 33
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title abstract description 33
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 109
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 8
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 8
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 19
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 17
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 5
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 5
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 5
- 206010016754 Flashback Diseases 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 3
- 241000894007 species Species 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 2
- 244000309466 calf Species 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 102220012891 rs397516343 Human genes 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 229920000914 Metallic fiber Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- -1 electron separator Substances 0.000 description 1
- 238000011067 equilibration Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000012078 proton-conducting electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
- F23Q2/00—Lighters containing fuel, e.g. for cigarettes
- F23Q2/16—Lighters with gaseous fuel, e.g. the gas being stored in liquid phase
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
- C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
L’invention concerne un brûleur (1), comprenant : -une cellule électrochimique (21) d’électrolyse d’eau comprenant un assemblage membrane/électrodes (31) avec une face en communication avec un volume d’alimentation en eau (210), une autre face (31) étant en communication avec un collecteur de dihydrogène (410) ; -une tête de brûlage (19) pour enflammer le dihydrogène, la tête de brûlage (19) et le volume d’alimentation en eau (210) étant séparés du collecteur de dihydrogène (410) par l’assemblage membrane-électrodes (31) ; -un circuit d’écoulement (11) mettant en communication la tête de brûlage (19) et le collecteur de dihydrogène (410) ; -la membrane échangeuse de protons (311) comportant un alésage (312) traversé par ledit circuit d’écoulement (11) ; -le brûleur (1) comprend en outre un joint (61) disposé dans ledit alésage (310) et séparant la membrane échangeuse de protons du circuit d’écoulement. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 7
Description
L’invention concerne les brûleurs à hydrogène, et en particulier les brûleurs à hydrogène munis d’une cellule électrochimique d’électrolyse de l’eau à assemblages membrane/électrodes basés sur une membrane échangeuse de protons.
Parmi les applications connues de brûleurs à hydrogène, on peut citer le briquet à hydrogène. Un briquet est un dispositif servant à produire une flamme. Un briquet à hydrogène utilise du dihydrogène comme combustible. Alessandro Volta conçut un briquet à hydrogène. Döbereiner perfectionna ensuite la conception du briquet pour le rendre compatible avec un usage domestique. Le briquet ainsi conçu produit son hydrogène en utilisant une attaque de zinc par de l’acide sulfurique.
L’électrolyse de l’eau par diffusion à travers une membrane échangeuse de protons s’est par ailleurs développée. Une telle électrolyse de l’eau se fait à relativement basse température et utilise une anode et une cathode sous forme de couches catalytiques fixées de part et d’autre de la membrane échangeuse de protons. Cet ensemble forme un assemblage membrane/électrodes, généralement désigné par l’acronyme AME. La membrane joue le rôle d’électrolyte conducteur de protons, de séparateur électronique, et de séparateur de gaz. Les couches catalytiques sont le siège de réactions d’oxydo-réduction. Au niveau de l’anode, l’eau est oxydée en oxygène et en protons, suivant la demi-réaction suivante :
H2O1/2 O2+ 2H++ 2 e-; E0O2/ H2O=1,23V vs VENH
Le proton produit traverse l’électrolyte sous l’effet du champ électrique entrainant avec lui des molécules d’eau. Le proton se recombine ensuite au contact du catalyseur cathodique en hydrogène grâce au flux d’électron fournit par l’alimentation électrique :
2H++ 2 e-H2; E0H+/ H2=0V vs VENH
De chaque côté des couches catalytiques, on dispose généralement des couches de transport poreuses, par exemple à base de feutre de carbone pour la cathode et de grille de titane pour l’anode. Ces couches poreuses sont au contact de plaques collectrices de courant.
Pour augmenter le débit de production de dihydrogène, les cellules unitaires d’électrolyse peuvent être assemblées électriquement soit en parallèle soit en série. Dans le cas d’une mise en parallèle la tension est identique à toutes les cellules et le courant d’électrolyse appliqué par l’alimentation est divisé entre chaque cellule.
Pour une application domestique d’un tel brûleur, la tête de brûlage et l’anode peuvent être disposées d’un même côté d’une membrane échangeuse de protons. Pour des raisons de compacité, un circuit d’écoulement, mettant en communication la tête de brûlage avec un collecteur de d’hydrogène, peut être amené à traverser la membrane échangeuse de protons. Lors de l’arrêt du brûleur, une flamme peut se propager à l’intérieur de ce circuit d’écoulement, au risque d’endommager la membrane échangeuse de protons.
Pour une application domestique d’un tel électrolyseur, par exemple comme briquet de table, l’évacuation du dioxygène issu de l’électrolyse crée des risques de brûlures, puisque celui-ci est généré avec une température proche de 80°C.
Lors de l’électrolyse de l’eau par la membrane échangeuse de protons, un flux d’eau traverse la membrane. Le dihydrogène produit et conduit à la tête de brûlage est donc fortement chargé en eau. Pour éviter une extinction de la flamme par cet excédent en eau, il est nécessaire d’intégrer un séparateur de phases pour récupérer l’eau présente dans le dihydrogène produit et ainsi éviter que cette eau atteigne la tête de brûlage. En particulier pour une application domestique d’un tel brûleur, il est nécessaire de conserver une grande compacité. L’intégration d’un séparateur de phases dans un tel brûleur est donc problématique, puisque les solutions connues sont soit excessivement complexes, soit trop volumineuse pour satisfaire à l’exigence de compacité.
Pour une application domestique d’un tel brûleur, par exemple comme briquet de table, et selon les différentes phases de fonctionnement, la collecte du dihydrogène issu de l’électrolyse peut induire la présence au sein des canalisations d’hydrogène non brulé. L’évacuation de ce dihydrogène crée des risques de brûlure, puisque celui-ci est généré avec une température proche de 80°C. Par ailleurs, la génération de dihydrogène peut être insuffisante pendant une certaine durée, rendant le fonctionnement du brûleur non contrôlable visuellement.
De façon générale, il est souhaitable de pouvoir éviter une concentration trop élevée de dihydrogène à proximité de l’électrolyseur. Par ailleurs, pour une application portative, il est souhaitable de disposer d’un électrolyseur de petite dimension.
L’invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L’invention porte ainsi sur un brûleur, comprenant :
-une première cellule électrochimique d’électrolyse d’eau comprenant un premier assemblage membrane/électrodes incluant une première membrane échangeuse de protons, une première face du premier assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un premier volume d’alimentation en eau, une deuxième face du premier assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un premier collecteur de dihydrogène ;
-le brûleur comprend en outre une tête de brûlage configurée pour enflammer le dihydrogène, la tête de brûlage et le premier volume d’alimentation en eau étant séparés du premier collecteur de dihydrogène par le premier assemblage membrane-électrodes ;
-le brûleur comprend en outre un premier circuit d’écoulement mettant en communication la tête de brûlage et le premier collecteur de dihydrogène ;
-la première membrane échangeuse de protons comportant un alésage traversé par ledit premier circuit d’écoulement ;
-le brûleur comprend en outre un premier joint disposé dans ledit alésage et séparant la première membrane échangeuse de protons du premier circuit d’écoulement.
-une première cellule électrochimique d’électrolyse d’eau comprenant un premier assemblage membrane/électrodes incluant une première membrane échangeuse de protons, une première face du premier assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un premier volume d’alimentation en eau, une deuxième face du premier assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un premier collecteur de dihydrogène ;
-le brûleur comprend en outre une tête de brûlage configurée pour enflammer le dihydrogène, la tête de brûlage et le premier volume d’alimentation en eau étant séparés du premier collecteur de dihydrogène par le premier assemblage membrane-électrodes ;
-le brûleur comprend en outre un premier circuit d’écoulement mettant en communication la tête de brûlage et le premier collecteur de dihydrogène ;
-la première membrane échangeuse de protons comportant un alésage traversé par ledit premier circuit d’écoulement ;
-le brûleur comprend en outre un premier joint disposé dans ledit alésage et séparant la première membrane échangeuse de protons du premier circuit d’écoulement.
L’invention porte également sur les variantes suivantes. L’homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes suivantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques ci-dessus, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire.
Selon une variante, le brûleur comprend en outre :
-une deuxième cellule électrochimique d’électrolyse d’eau comprenant un deuxième assemblage membrane/électrodes incluant une deuxième membrane échangeuse de protons, une première face du deuxième assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un deuxième volume d’alimentation en eau, une deuxième face du deuxième assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un deuxième collecteur de dihydrogène ;
-un deuxième circuit d’écoulement mettant en communication la tête de brûlage et le deuxième collecteur de dihydrogène ;
-dans lequel la tête de brûlage et les premier et deuxième volumes d’alimentation en eau sont séparés du deuxième collecteur de dihydrogène par le deuxième assemblage membrane-électrodes ;
-dans lequel la deuxième membrane échangeuse de protons comporte un alésage traversé par ledit deuxième circuit d’écoulement ;
-le brûleur comprend en outre un deuxième joint disposé dans ledit alésage et séparant la deuxième membrane échangeuse de protons du deuxième circuit d’écoulement.
-une deuxième cellule électrochimique d’électrolyse d’eau comprenant un deuxième assemblage membrane/électrodes incluant une deuxième membrane échangeuse de protons, une première face du deuxième assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un deuxième volume d’alimentation en eau, une deuxième face du deuxième assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un deuxième collecteur de dihydrogène ;
-un deuxième circuit d’écoulement mettant en communication la tête de brûlage et le deuxième collecteur de dihydrogène ;
-dans lequel la tête de brûlage et les premier et deuxième volumes d’alimentation en eau sont séparés du deuxième collecteur de dihydrogène par le deuxième assemblage membrane-électrodes ;
-dans lequel la deuxième membrane échangeuse de protons comporte un alésage traversé par ledit deuxième circuit d’écoulement ;
-le brûleur comprend en outre un deuxième joint disposé dans ledit alésage et séparant la deuxième membrane échangeuse de protons du deuxième circuit d’écoulement.
Selon encore une variante, le brûleur comprend un conduit vertical reliant ledit premier circuit d’écoulement et la tête de brûlage.
Selon une autre variante, le premier joint comporte des premier et deuxième éléments entre lesquels ladite première membrane échangeuse de protons est comprimée, lesdits premier et deuxième éléments étant en saillie radialement dans ledit alésage et étant en contact mutuel dans ledit alésage.
Selon encore une autre variante, les premier et deuxième éléments sont en saillie radialement dans ledit alésage sur une distance D telle que D>Epm/2, avec Epm l’épaisseur de ladite première membrane échangeuse de protons.
Selon une variante, l’épaisseur cumulée desdits premier et deuxième éléments en l’absence de compression est au moins le double de l’épaisseur Epm de ladite première membrane échangeuse de protons.
Selon encore une variante, les premier et deuxième éléments sont formés avec un même matériau.
Selon une autre variante, le premier joint est formé avec un matériau présentant une dureté Shore A au plus égale à 60.
Selon encore une autre variante, le premier joint est formé avec un matériau présentant une résistivité électrique supérieure à 100 Ω/cm.
Selon une variante, ledit premier joint est formé avec un matériau résistant à une température d’au moins 180°C.
Selon une autre variante, le brûleur comprend en outre une alimentation électrique configurée pour appliquer une puissance ou un courant ou une différence de potentiel entre lesdites première et deuxième faces du premier assemblage membrane/électrodes de façon à électrolyser de l’eau présente dans ledit premier volume d’alimentation.
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 :
Certains aspects de l’invention portent sur un électrolyseur d’eau, d’autres aspects de l’invention portant sur un brûleur incluant un tel électrolyseur.
La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un exemple de brûleur à hydrogène 1 incluant un électrolyseur d’eau 2. La figure 2 est un détail de la vue en perspective éclatée du brûleur de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus éclatée de ce même brûleur 1. Dans cet exemple, l’électrolyseur 2 inclut deux cellules électrochimiques d’électrolyse d’eau 21 et 22, l’invention s’appliquant également à un électrolyseur présentant une unique cellule électrochimique. Dans cet exemple, les cellules électrochimiques 21 et 22 sont connectées électriquement en parallèle.
La cellule électrochimique 21 inclut un assemblage membrane/électrodes 31, des couches de diffusion gazeuse 314 et 315 et une plaque ajourée de distribution de courant électrique 418. La couche de diffusion gazeuse 315 est par exemple en feutre carboné et est en contact avec la plaque ajourée 418. Les jours de la plaque 418 permettent un passage du dihydrogène produit. L’assemblage membrane/électrodes 31 comporte une membrane échangeuse de protons 311, une anode 312 disposée sur une première face de la membrane 311, et une cathode 313 disposée sur une deuxième face de la membrane 311. L’anode 312 est en communication avec un volume d’alimentation en eau 210. Le volume d’alimentation en eau 210 est ici délimité à la fois par un corps 5 et par une cage métallique 20 (par exemple en Titane).
La cellule électrochimique 21 est logée sur un côté du corps 5. L’électrolyseur 2 comprend en outre une plaque de serrage 41 venant recouvrir la cellule électrochimique 21. Des joints 417 et 419 sont positionnés de part et d’autre de la membrane 311. Le joint 419 entoure la cathode 313 et est comprimé entre la plaque de serrage 41 et la membrane 311. Le joint 417 entoure l’anode 312 et est comprimé entre le corps 5 et la membrane 311. Les joints 417 et 419 assurent l’étanchéité entre la zone anodique et la zone cathodique et vis-à-vis de l’extérieur. La face de l’assemblage membrane/électrodes 31 comportant la cathode 313 est en communication avec un collecteur de dihydrogène ménagé dans la plaque de serrage 41 et détaillé par la suite. La plaque de serrage 41 est vissée sur le corps 5. La plaque de serrage 41 a une fonction de serrage, de maintien mécanique des composants, et de collecte du dihydrogène généré.
La cellule électrochimique 22 inclut un assemblage membrane/électrodes 32, des couches de diffusion gazeuse 324 et 325 et une plaque ajourée de distribution de courant électrique 428. La couche de diffusion gazeuse 325 est par exemple en feutre carboné et est en contact avec la plaque ajourée 428. Les jours de la plaque 428 permettent un passage du dihydrogène produit. L’assemblage membrane/électrodes 32 comporte une membrane échangeuse de protons 321, une anode 322 disposée sur une première face de la membrane 321, et une cathode 323 disposée sur une deuxième face de la membrane 321. L’anode 322 est en communication avec un volume d’alimentation en eau 220. Le volume d’alimentation en eau 220 est ici délimité à la fois par le corps 5 et par la cage métallique 20.
La cellule électrochimique 22 est logée sur un côté du corps 5. L’électrolyseur 2 comprend en outre une plaque de serrage 42 venant recouvrir la cellule électrochimique 22. Des joints 427 et 429 sont positionnés de part et d’autre de la membrane 321. Le joint 429 entoure la cathode 323 et est comprimé entre la plaque de serrage 42 et la membrane 321. Le joint 427 entoure l’anode 322 et est comprimé entre le corps 5 et la membrane 321. Les joints 427 et 429 assurent l’étanchéité entre la zone anodique et la zone cathodique et vis-à-vis de l’extérieur. La face de l’assemblage membrane/électrodes 32 comportant la cathode 323 est en communication avec un collecteur de dihydrogène ménagé dans la plaque de serrage 42 et détaillé par la suite. La plaque de serrage 42 est vissée sur le corps 5. La plaque de serrage 42 a une fonction de serrage, de maintien mécanique des composants, et de collecte du dihydrogène généré.
La cage métallique 20 est baignée dans de l’eau. La cage métallique 20 est ajourée, pour permettre l’accès de l’eau aux anodes et pour permettre d’évacuer du dioxygène produit. L’eau nécessaire à la réaction est ainsi directement au contact des anodes dans les volumes d’alimentation en eau 210 et 220. La cage métallique 20 est électriquement conductrice et forme un collecteur de courant partagé par les cellules électrochimiques 21 et 22. Par ailleurs, la cage 20 est utilisée pour acceuillir les volumes d’alimentation en eau 210 et 220 des deux cellules électrochimiques 21 et 22. Les volumes 210 et 220 sont ici un seul et même volume. Par conséquent, la compacité de l’électrolyseur 2 est optimisée, malgré la présence de plusieurs cellules électrochimiques. La cage 20 est ici positionnée dans un logement médian du corps 5.
Un capot 50 ferme l’ensemble du brûleur 1.
L’électrolyseur 2 comporte en outre une alimentation électrique 7. L’alimentation électrique 7 permet d’appliquer sélectivement (allumage ou extinction) une différence de potentiel ou un courant ou une puissance électrique entre l’anode et la cathode de chaque cellule électrochimique. Un potentiel négatif est appliqué par l’alimentation électrique 7 au niveau cathodique de chacune des cellules 21 et 22, par l’intermédiaire d’un étrier conducteur 71 et de vis conductrices 73. Les vis conductrices 73 sont vissées dans les plaques de serrage 41 et 42 de façon à former un contact électrique cathodique sur les plaques ajourées de distribution de courant électrique 418 et 428. Un potentiel positif est appliqué par l’alimentation électrique 7 au niveau anodique, par l’intermédiaire d’un étrier conducteur 72 et de vis conductrices 74. Les vis conductrices 74 sont vissées dans le corps 5 de façon à former un contact électrique anodique avec la cage 20. L’alimentation électrique 7 peut être une alimentation pilotée. L’alimentation électrique 7 peut par exemple être pilotée en courant, en tension ou en puissance. Le pilotage en courant permet de contrôler le débit de production de dihydrogène. Un pilotage en puissance des cellules électrochimiques peut par exemple être réalisé jusqu’à 100W. Une limitation de la tension de cellule inférieure à 2,3V permet d’éviter une chauffe et dégradation trop importante des cellules électrochimiques.
L’alimentation électrique 7 est pilotée par un boîtier électronique de pilotage, non illustré ici. L’alimentation électrique 7 peut être activée par exemple par l’activation d’un bouton poussoir. Le boîtier électronique peut désactiver l’alimentation électrique 7 après une durée prédéfinie, par exemple de 20 secondes, en cas de maintien d’un appui sur le bouton poussoir. L’alimentation électrique 7 peut inclure des batteries pour stocker de l’énergie électrique. Le brûleur 1 peut présenter une interface de recharge de telles batteries, par exemple par un port USB.
Un réservoir externe 8 est destiné à recevoir de l’eau. Le réservoir externe 8 est en communication avec les volumes d’alimentation en eau 210 et 220, selon un exemple détaillé par la suite. Le réservoir externe 8 est destiné à fournir un complément d’eau aux volumes 210 et 220, au fur et à mesure de la consommation d’eau. En effet, de l’eau est consommée dans la réaction d’électrolyse et en partie évacuée avec les gaz produits. Le réservoir externe 8 comporte un orifice de remplissage en eau 84 au niveau de son extrémité supérieure. L’orifice 84 peut par exemple être ménagé dans un couvercle du réservoir externe 8.
Le brûleur 1 comprend une tête de brûlage 19, configurée pour enflammer du dihydrogène provenant des collecteurs de dihydrogène. La flamme générée peut avantageusement être colorée (notamment pour des questions de sécurité) en la faisant passer par un réservoir de sels adaptés. La tête de brûlage 19 peut comporter un dispositif d’allumage non illustré, afin d’enflammer le dihydrogène.
La figure 4 est un schéma de principe du brûleur à hydrogène 1. Le fonctionnement des cellules électrochimiques 21 et 22 étant équivalent, seul le fonctionnement de la cellule 21 sera décrit par la suite.
Lorsque l’alimentation électrique 7 applique une différence de potentiel de part et d’autre de la membrane 311, de l’eau du volume 210 est oxydée au niveau de l’anode 312, des ions H+traversent la membrane 311. Les ions H+se recombinent avec des électrons au niveau de la cathode 313, pour former du dihydrogène. Le dihydrogène formé est récupéré au niveau d’un collecteur 410 ménagé dans la plaque 41. Le dihydrogène est ensuite conduit jusqu’à la tête de brûlage 19 par l’intermédiaire d’un circuit d’écoulement 11. Une partie du dioxygène produit dans le volume 210 est évacué à l’extérieur par l’intermédiaire d’un circuit d’échappement 211. Une autre partie du dioxygène produit est évacué à travers le réservoir externe 8, après avoir été introduit au niveau du fond de ce réservoir 8. Cette partie du dioxygène produit traverse ainsi l’eau du réservoir 8 et subit ainsi un refroidissement. Le dioxygène ayant traversé le réservoir 8 est ainsi évacué au niveau de l’orifice de remplissage 84, après avoir été refroidi. De l’eau contenue dans le flux de dihydrogène formé peut être récupérée par un séparateur de phase 51, puis réintroduite dans le réservoir 8, comme cela sera détaillé par la suite. Avantageusement, le réservoir 8 est soit transparent, soit présente une paroi transparente. On peut ainsi vérifier le niveau d’eau dans le réservoir 8, ou vérifier le fonctionnement correct de l’électrolyseur 2, en observant des bulles de dioxygène traversant ce réservoir 8.
La figure 5 est une vue en perspective du brûleur 1 avec une section au niveau de sa tête de brûlage 19. La figure 6 est une vue de côté du brûleur 1 avec une section au niveau du collecteur de dihydrogène. Comme illustré, la tête de brûlage 19 et le volume d’alimentation en eau 210 (dans le corps 5) sont séparés du collecteur de dihydrogène 410 de la plaque 41 par l’intermédiaire de l’assemblage membrane/électrodes 31, et en particulier par la membrane 311. De façon similaire, la tête de brûlage 19 et le volume d’alimentation en eau 220 (dans le corps 5) sont séparés du collecteur de dihydrogène 420 de la plaque 42 par l’intermédiaire de l’assemblage membrane/électrodes 32, et en particulier par la membrane 321. Par séparer, on entend marquer une frontière. Les membranes 311 et 321 sont ainsi interposées entre des collecteurs de dihydrogène respectifs d’une part, et la tête de brûlage 19 et les volumes d’alimentation en eau 210 et 220 d’autre part.
Un circuit d’écoulement 11 met en communication la tête de brûlage 19 et le collecteur de dihydrogène 410. Le circuit 11 est ici formé partiellement dans la plaque 41 et dans le corps 5. Le circuit 11 est ici sensiblement horizontal. La membrane échangeuse de protons 311 comporte un alésage 310 traversé par le circuit d’écoulement 11. Le circuit 11 est mis en communication avec la tête de brûlage 19 par l’intermédiaire d’un conduit vertical 13.
Un circuit d’écoulement 12 met en communication la tête de brûlage 19 et un collecteur de dihydrogène 420. Le circuit 12 est ici formé partiellement dans la plaque 42 et dans le corps 5. Le circuit 12 est ici sensiblement horizontal. La membrane échangeuse de protons 321 comporte un alésage 320 traversé par le circuit d’écoulement 12. Le circuit 12 est mis en communication avec la tête de brûlage 19 par l’intermédiaire du conduit vertical 13.
La figure 7 est une vue en coupe de face de détail du brûleur 1, au niveau des circuits d’écoulement précédemment décrits. Un joint 61 est disposé au moins partiellement dans l’alésage 310. Le joint 61 sépare la membrane échangeuse de protons 311 du circuit d’écoulement 11. Ainsi, le contenu du circuit d’écoulement 11 n’est pas en contact avec la membrane échangeuse de protons 311 au niveau de son alésage 310. On évite ainsi de détériorer la membrane 311 par un retour de flamme lors de l’arrêt de la production de dihydrogène. Le joint 61 est ici composé de deux éléments distincts 611 et 612. Les éléments 611 et 612 viennent en superposition avec une partie de la membrane 311 autour de l’alésage 310. La membrane 311 est comprimée entre les éléments 611 et 612. Les éléments 611 et 612 sont eux-mêmes comprimés entre la plaque 41 et le corps 5. Les éléments 611 et 612 sont en saillie radialement par rapport à la bordure de l’alésage 310. Du fait de leur compression, les éléments 611 et 612 sont même en saillie radialement à l’intérieur de l’alésage 310 et sont en contact mutuel dans cet alésage 310.
Avantageusement, les éléments 611 et 612 sont en saillie radialement dans l’alésage 310 sur une distance D telle que D>Epm/2, avec Epm l’épaisseur de la membrane échangeuse de protons 311. Afin de favoriser une importante déformation du joint 61 et garantir le contact entre les éléments 611 et 612 dans l’alésage 310, l’épaisseur cumulée des éléments 611 et 612 en l’absence de compression est avantageusement au moins le double de l’épaisseur Epm de la membrane échangeuse de protons 311.
Afin de présenter une même déformation en cas de compression, les éléments 611 et 612 sont avantageusement formés avec un même matériau. Le joint 61 pourra être formé avec un matériau présentant une dureté Shore A au plus égale à 60, pour favoriser sa déformation. Le joint 61 pourra être formé avec un matériau présentant une résistivité électrique supérieure à 100 Ω/cm. Le joint 61 est avantageusement formé avec un matériau résistant à une température d’au moins 180°C, de façon à pouvoir résister à des retours de flamme dans le circuit 11.
Un joint 62 est disposé au moins partiellement dans l’alésage 320. Le joint 62 sépare la membrane échangeuse de protons 321 du circuit d’écoulement 12. Ainsi, le contenu du circuit d’écoulement 12 n’est pas en contact avec la membrane échangeuse de protons 321 au niveau de son alésage 320. On évite ainsi de détériorer la membrane 321 par un retour de flamme lors de l’arrêt de la production de dihydrogène. Le joint 62 est ici composé de deux éléments distincts 621 et 622. Les éléments 621 et 622 viennent en superposition avec une partie de la membrane 321 autour de l’alésage 320. La membrane 321 est comprimée entre les éléments 621 et 622. Les éléments 621 et 622 sont eux-mêmes comprimés entre la plaque 42 et le corps 5. Les éléments 621 et 622 sont en saillie radialement par rapport à la bordure de l’alésage 320. Du fait de leur compression, les éléments 621 et 622 sont même en saillie radialement à l’intérieur de l’alésage 320 et sont en contact mutuel dans cet alésage 320.
Avantageusement, les éléments 621 et 622 sont en saillie radialement dans l’alésage 320 sur une distance D telle que D>Epm/2, avec Epm l’épaisseur de la membrane échangeuse de protons 321. Afin de favoriser une importante déformation du joint 62 et garantir le contact entre les éléments 621 et 622 dans l’alésage 320, l’épaisseur cumulée des éléments 621 et 622 en l’absence de compression est avantageusement au moins le double de l’épaisseur Epm de la membrane échangeuse de protons 321.
Afin de présenter une même déformation en cas de compression, les éléments 621 et 622 sont avantageusement formés avec un même matériau. Le joint 62 pourra être formé avec un matériau présentant une dureté Shore A au plus égale à 60, pour favoriser sa déformation. Le joint 62 pourra être formé avec un matériau présentant une résistivité électrique supérieure à 100 Ω/cm. Le joint 62 est avantageusement formé avec un matériau résistant à une température d’au moins 180°C, de façon à pouvoir résister à des retours de flamme dans le circuit 12.
Selon un autre aspect de l’invention, une séparation de phases est mise en œuvre dans le conduit vertical 13 mettant en communication les collecteurs de dihydrogène 410 et 420 avec la tête de brûlage 19. La séparation de phases par gravité dans le conduit 13 s’avère insuffisante, une quantité excessive d’eau pouvant être entraînée vers la tête de brûlage 19.
Comme illustré à la figure 7, des fibres métalliques 51 sont logées dans le conduit vertical 13 et orientées verticalement. De telles fibres métalliques 51 dans le conduit 13 permettent de réaliser une séparation de phases entre le collecteur 410 (et le collecteur 420) et la tête de brûlage 19, sans nécessiter d’interposer un dispositif de séparateur de phases complexe ou volumineux.
Des fibres 51 sont ici logées dans une partie supérieure 131 du conduit 13. Les fibres 51 sont ici des fibres métalliques. Les circuits d’écoulement 11 et 12 sont reliés au conduit 13 au niveau d’une liaison 133. La liaison 133 forme une délimitation entre la partie supérieure 131 et une partie inférieure 132 du conduit 13. La liaison 133 est ici logée sous la tête de brûlage 19 et sous les fibres métalliques 51 logées dans la partie supérieure 131.
Avantageusement, le circuit d’écoulement 11 (et le circuit d’écoulement 12) présente un angle compris entre 70° et 110°, et est de préférence perpendiculaire au conduit 13 au niveau de leur liaison 133. Par un tel changement de direction du flux d’écoulement au niveau de la liaison 133, on favorise une séparation par inertie entre le dihydrogène et l’eau. Les fibres métalliques 51 forment par ailleurs des chicanes successives dans la partie supérieure 131 du conduit 13, favorisant également la séparation de phases.
Pour favoriser encore davantage la séparation de phases, le conduit 13 comporte avantageusement une section d’étranglement 135 positionnée entre la tête de brûlage 19 et l’extrémité supérieure des fibres métalliques 51.
Les fibres 51 se présentent par exemple sous la forme d’une mèche de paille métallique, par exemple de la paille de fer ou de la laine d’acier inoxydable. De la laine d’acier inoxydable en bande peut ainsi être enroulée pour former un bobineau introduit dans le conduit 13. Les fibres métalliques 51 forment ici une masse poreuse. Les fibres métalliques 51 sont avantageusement en un métal résistant à la corrosion par de l’eau désionisée, et sont par exemple réalisées en acier inoxydable.
L’orientation verticale des fibres 51 permet à la fois de guider l’écoulement de dihydrogène vers la tête de brûlage 19, et de guider l’eau collectée vers le bas, vers la partie inférieure 132 du conduit 13. L’eau collectée par les fibres métalliques 51 s’écoule vers le bas par gravité.
La partie inférieure 132 du conduit 13 s’étend vers le bas jusqu’en communication avec un réservoir de récupération d’eau 504. Des fibres métalliques 51 sont également logées dans la partie inférieure 132 du conduit en dessous de la liaison 133. La partie inférieure 132 du conduit 13 peut ainsi participer à la séparation de phases du flux de dihydrogène. Des fibres métalliques 51 peuvent s’étendre d’un seul tenant entre la partie supérieure 131 et la partie inférieure 132 du conduit 13. La partie inférieure 132 du conduit 13 peut également servir de réservoir de stockage pour l’eau issue de la séparation de phase.
Pour permettre un bon contrôle de la quantité d’eau présente dans le réservoir 504, son volume interne est avantageusement dépourvu d’élément solide, et en particulier dépourvu de fibres métalliques.
Selon un autre aspect de l’invention, la tête de brûlage 19 est mise en communication avec le collecteur de dihydrogène par l’intermédiaire d’un dispositif de séparation de phases, tel que décrit précédemment. Le brûleur 1 comprend en outre un réservoir de stockage ou de récupération 504 de l’eau issue de la séparation de phase, comme décrit précédemment. Le réservoir 8 est mis en communication avec le volume d’alimentation en eau 210 par l’intermédiaire d’une conduite 80, comme décrit ultérieurement. Le brûleur 1 comprend en outre une vanne 505 commandée pour ouvrir ou fermer sélectivement une communication de fluide entre le réservoir 504 et le réservoir 8. La vanne 505 peut également être associée à une pompe pour favoriser un écoulement du réservoir 504 vers le réservoir 8. La vanne 505 est ici connectée au fond du réservoir externe 8 par l’intermédiaire d’un connecteur hydraulique 85.
Lorsque l’électrolyseur 2 est alimenté électriquement et produit du dihydrogène, un excédent de dihydrogène peut être introduit dans le réservoir 504 par l’intermédiaire de la partie basse du conduit 13. Au début de l’alimentation électrique de l’électrolyseur 2, la vanne 505 peut être ouverte pour évacuer cet excédent de dihydrogène à travers le réservoir 8.
Cet excédent de dihydrogène sera en outre refroidi par l’eau présente dans le réservoir 8. Durant cette phase, l’oxygène produit dans l’électrolyseur n’atteint pas encore le réservoir 8. L’introduction d’hydrogène dans le réservoir 8 n’est donc pas problématique durant cette phase. De plus, le passage de dihydrogène dans le réservoir 8 permet de vérifier visuellement le fonctionnement du brûleur 1 par des bulles formées dans ce réservoir 8, si la flamme est invisible et avant que le dioxygène n’atteigne le réservoir 8 pour former des bulles. Le dihydrogène évacué à travers le réservoir 8 est humidifié, ce qui permet d’augmenter sa proportion dans l’air pouvant impliquer une explosion.
Durant la poursuite de la génération de dihydrogène, par exemple au bout de 2 secondes après l’alimentation de l’électrolyseur 2 par l’alimentation 7, la vanne 505 est fermée. On évite ainsi qu’un flux de dihydrogène ne traverse le réservoir 8, lorsqu’un flux de dioxygène va traverser ce réservoir 8.
Comme dans l’exemple détaillé auparavant, la liaison 133 est disposée sous la tête de brûlage 19. Cette liaison 133 est avantageusement positionnée au-dessus de la hauteur h2 (hauteur d’un orifice de liaison 82 détaillé par la suite), ce qui permet de maintenir un niveau d’eau dans le conduit 13 en dessous du niveau de la liaison 133. On évite ainsi que l’eau présente initialement dans le conduit 13 ne perturbe initialement l’écoulement de dihydrogène vers la tête de brûlage 19. Ceci s’avère en particulier avantageux si la vanne 505 est de type normalement ouverte, et est ainsi maintenue ouverte après la fin de l’alimentation de l’électrolyseur 2 par l’alimentation électrique 7, puisque le niveau de l’eau dans le réservoir 8 et le niveau dans le conduit 13 s’équilibrent alors. Un tel équilibrage permet notamment de réintroduire de l’eau dans le réservoir 8, cette eau étant issue de la séparation de phases du flux de dihydrogène généré par l’électrolyseur 2. Une vanne 505 de type normalement ouverte peut alors s’avérer avantageuse pour réaliser un tel équilibrage de niveau d’eau de façon simple et compacte.
Le conduit 13 est ici avantageusement vertical afin de favoriser la récupération de l’eau à destination du réservoir 504.
Avantageusement, un dimensionnement sera mis en œuvre pour garantir une quantité suffisante d’eau dans l’électrolyseur 2 durant toute l’électrolyse.
La loi de Faraday permet de déduire la quantité de protons échangée par la réaction dans l’électrolyseur 2, en fonction du courant et du temps de réaction de l’électrolyse :
nx =Iel*t/(nel*Far) [eq 1]
avec nx la quantité d’une espèce échangée en mol, Iel le courant d’électrolyse, t la durée de l’électrolyse, nel le rapport entre le nombre d’électrons échangés dans la réaction par rapport à l’espèce considérée, et Far la constante de Faraday.
Par application à l’électrolyse de l’eau, en prenant les protons comme l’espèce étudiée, le rapport nel vaut 1 puisque le nombre de protons et d’électrons échangés est identique. On obtient alors l’équation suivante :
np =Iel*t/Far [eq 2]
avec np la quantité de protons échangée.
Des études ont montré empiriquement qu’un proton traversant une membrane échangeuse de protons entrainait 5 molécules d’eau à travers la membrane. On obtient alors :
neau =5*Iel*t/Far [eq 3]
avec neau la quantité d’eau traversant la membrane.
On en déduit alors le volume d’eau traversant la membrane :
Veau=5*Iel*t*M/(Far* ρ) [eq 4]
Avec Veau le volume d’eau traversant la membrane, ρ la masse volumique de l’eau, M la masse molaire de l’eau.
Le volume disponible dans le conduit 13 (sous la liaison 133) et dans le réservoir 504 doit être supérieur à Veau, pour être suffisant pour pouvoir renvoyer au réservoir 8 le volume d’eau qui traversera les membranes échangeuses de protons pendant la réaction d’électrolyse. En présence des fibres métalliques 51 dans le conduit 13, il faudra retrancher le volume de ces fibres 51 au volume du conduit 13.
Avantageusement, un dimensionnement peut être mis en œuvre pour garantir une purge de l’eau présente entre la liaison 133 et le réservoir 8, lors du démarrage de l’électrolyseur 2. Une telle purge permet de limiter le risque d’une trop grande quantité d’eau dans l’écoulement de dihydrogène au niveau de la tête de brûlage 19, en particulier si on estime que l’efficacité de la séparation de phase est insuffisante après plusieurs cycles d’utilisation successifs de l’électrolyseur 2. Une telle purge peut induire un flux de dihydrogène à destination du réservoir 8, lors du début de l’alimentation électrique de l’électrolyseur 2 par l’alimentation 7. De façon générale, on dimensionne la perte de charge de l’écoulement de dihydrogène entre la liaison 133 et la zone de formation de flamme de la tête de brûlage 19 de sorte que celle-ci soit supérieure à la hauteur d’eau du réservoir 8 et des pertes de charges d’écoulement de dihydrogène entre la liaison 133 et ce réservoir 8.
Comme illustré à la figure 15, une zone de formation de flamme 192 est ménagée à l’extrémité supérieure d’une aiguille 191. L’extrémité inférieure de l’aiguille est en communication avec une chambre 193 à l’intérieur de la tête de brûlage 19. La chambre 193 est en communication avec la partie supérieure 131 du conduit 13. L’aiguille 191 a un diamètre qui définit la vitesse du dihydrogène dans la zone d’inflammation ou de formation de flamme. Le diamètre de l’aiguille 191 définit ainsi la hauteur de la flamme souhaitée et sera donc généralement adapté en fonction de ce paramètre. L’aiguille 191 peut également être utilisée comme une canalisation de section inférieure à celle du conduit 13, incluant par extension la chambre 193. Une telle réduction de section permet ainsi d’accroître la perte de charge entre la liaison 133 et la zone 192.
Plus précisément, si le diamètre de l’aiguille 191 est fixé pour définir la hauteur de flamme, la perte de charge peut être calibrée en jouant sur la longueur de l’aiguille 191 notamment. Dans le présent exemple, l’aiguille 191 forme une canalisation cylindrique de section circulaire de diamètre Da calibré, s’étendant sur une longueur La. La perte de charge provoquée par l’aiguille 191 est la somme de toutes les pertes de charges singulières et régulières.
La perte de charge singulière ∆Psa est ici due aux changements de section de l’aiguille 191 :
∆Psa=(kea+ksa)*ρh*Vh2)/2 [Eq5]
avec :
- ∆Psa la perte de charge singulière en Pascal générée par l’aiguille 191 ;
- kea un coefficient sans unité dû à l’entrée de l’aiguille 191 ;
- ksa un coefficient sans unité dû à la sortie de l’aiguille 191 ;
- ρh la masse volumique de l’hydrogène saturé en humidité ;
- Vh La vitesse du dihydrogène dans le diamètre de l’aiguille 191.
- ∆Psa la perte de charge singulière en Pascal générée par l’aiguille 191 ;
- kea un coefficient sans unité dû à l’entrée de l’aiguille 191 ;
- ksa un coefficient sans unité dû à la sortie de l’aiguille 191 ;
- ρh la masse volumique de l’hydrogène saturé en humidité ;
- Vh La vitesse du dihydrogène dans le diamètre de l’aiguille 191.
Les coefficients kea et ksa sont notamment définis par les changements de diamètre respectivement à l’entrée et à la sortie de l’aiguille 191.
Les pertes de charge régulières ∆Pra sont définies comme suit :
∆Pra=(fa*La*ρh*Vh2)/(2*Da) [Eq6]
avec fa un coefficient de friction de l’écoulement à travers l’aiguille 191. Le coefficient de friction fa, dans l’hypothèse d’un écoulement en régime laminaire est donné par la formule
fa=64/Re [Eq7]
avec Rea le nombre de Reynolds donné par la relation
Rea=ρh*Vh*Da/µh [Eq8]
avec µa la viscosité dynamique du dihydrogène saturé en humidité.
fa=64/Re [Eq7]
avec Rea le nombre de Reynolds donné par la relation
Rea=ρh*Vh*Da/µh [Eq8]
avec µa la viscosité dynamique du dihydrogène saturé en humidité.
La perte de charge Pca de l’aiguille 191 peut être définie suit :
Pca=(((kea+ ksa)*ρh*Vh2)/2)+(32µh*La*Vh)/(Da²) [Eq9]
La vitesse Vh est définie par l’équation suivante :
Vh = Qea/Sea [Eq10]
avec
- Qea le débit à travers l’aiguille 191 ;
- Sea la section de passage de l’aiguille 191
avec
Sea=π*Da²/4 [Eq11]
Vh = Qea/Sea [Eq10]
avec
- Qea le débit à travers l’aiguille 191 ;
- Sea la section de passage de l’aiguille 191
avec
Sea=π*Da²/4 [Eq11]
On déduit de l’équation [Eq10]
Vh=4*Qea/(π*Da²) [Eq12]
Vh=4*Qea/(π*Da²) [Eq12]
On peut alors exprimer Pca comme suit :
Pca=(((kea+ ksa)*ρh*(4*Qea/(π*Da²))2)/2)+(128µh*La*(Qea/( π*Da4))) [Eq13]
On peut appliquer le même raisonnement à l’ensemble des singularités et linéarités entre la liaison 133 et la zone 192 pour calculer une perte de charge totale Pcs entre la liaison 133 et la zone 192. Pour une géométrie connue entre la liaison 133 et la zone 192, les seules variables ou inconnues restent les valeurs Qea et La. On peut alors simplifier la perte de charge Pcs par la relation suivante :
Pcs=fm(Qea, La) [Eq14]
avecfmune fonction.
En appliquant le même raisonnement pour l’écoulement entre la liaison 133 et le réservoir 8, on obtient Pcr la perte de charge de l’écoulement de dihydrogène jusqu’au réservoir 8 :
Pcr=fn(Qrr) [Eq15]
avecfnune fonction et Qrr le débit de dihydrogène vers le réservoir 8. Cette perte de charge Pcr est notamment fonction du coefficient de perte de charge à travers la vanne 505, généralement fournie avec la documentation technique de son fabricant.
Pcr=fn(Qrr) [Eq15]
avecfnune fonction et Qrr le débit de dihydrogène vers le réservoir 8. Cette perte de charge Pcr est notamment fonction du coefficient de perte de charge à travers la vanne 505, généralement fournie avec la documentation technique de son fabricant.
On considèrera que la variation de pression Pcres entre le connecteur 85 et un orifice de remplissage 84 est due à la hauteur de la colonne d’eau dans le réservoir 8.
Pcres=(ρ*g*hmax) [Eq16]
avec ρ la masse volumique de l’eau, g la gravité terrestre, et hmax la hauteur de la colonne d’eau dans le réservoir 8. Hmax est par exemple définie par la hauteur au repos de la colonne d’eau dans le réservoir 8, additionnée de la hauteur d’eau due au volume d’eau refoulé dans le réservoir 8 par l’intermédiaire de la vanne 505.
avec ρ la masse volumique de l’eau, g la gravité terrestre, et hmax la hauteur de la colonne d’eau dans le réservoir 8. Hmax est par exemple définie par la hauteur au repos de la colonne d’eau dans le réservoir 8, additionnée de la hauteur d’eau due au volume d’eau refoulé dans le réservoir 8 par l’intermédiaire de la vanne 505.
Hmax=hinit+Veau/ Srext [Eq17]
avec hinit la hauteur de la colonne d’eau dans le réservoir 8 au repos, Srext la section du réservoir extérieur 8 selon un plan horizontal.
Par combinaison de [Eq15] et [Eq16], on déduit :
Pcr+Pcres=fn(Qrr)+ (ρ*g*hmax) [Eq18]
Les pressions au niveau de la zone 192 et au niveau de l’ouverture 84 sont ici égales à la pression atmosphérique notée Patm. On peut alors déduire des équations [Eq14] et [Eq18] :
fm(Qea, La)-fn(Qrr)-(ρ*g*hmax)=0 [Eq19]
On peut définir le débit total de dihydrogène Qh=(22,4*10-3*La)/193000 [Eq20]
Et avec Qh=Qrr+Qea, on a alors :
fm(((22,4*10-3*La)/193000-Qrr), La)-fn(Qrr)-(ρ*g*hmax)=0 [Eq21]
Par résolution de l’équation [Eq21], par exemple par un solveur numérique, au peut déterminer le débit Qrr renvoyé vers le réservoir 8 lorsque l’eau a été purgée entre la liaison 133 et le réservoir 8 par l’intermédiaire de la vanne 505. Le nombre de Reynolds Rea peut alors être déterminé à partir de [Eq8] pour vérifier l’hypothèse d’un écoulement laminaire du dihydrogène vers le réservoir 8 et l’aiguille 191. Si l’écoulement n’est pas laminaire, il faut recalculer le coefficient de friction fa de pertes de charge linéaire avec un diagramme de Moody.
On dimensionnera avantageusement La de sorte que, en régime établi, de façon à favoriser la purge de l’eau :
Qrr>0,8*Qh
Qrr>0,8*Qh
La garantie de cette relation en régime établi garanti également cette condition en régime transitoire, puisque la pression de la colonne d’eau dans le réservoir 8 est inférieure en régime transitoire. On pourra réaliser le dimensionnement de sorte que la purge de l’eau (et donc l’atteinte du régime permanent) soit réalisée en une durée inférieure à 0,5 secondes après le démarrage de l’électrolyseur 2.
La figure 8 est une vue de côté en coupe schématique d’un circuit de fluide entre le volume 210 d’alimentation en eau et le réservoir externe 8. Les figures 9 à 13 sont des vues de côté en coupe schématiques du même circuit à différentes étapes de fonctionnement de l’électrolyseur du brûleur 1.
Dans le volume 210, il est souhaitable que l’assemblage membrane/électrodes 31 reste immergé dans l’eau contenue dans le volume 210, pour éviter par exemple qu’une partie de la surface active de l’anode 312 soit en contact avec un volume d’air/dioxygène dans la partie supérieure du volume d’alimentation 210. Pour une hauteur minimale hmin de l’eau dans le volume d’alimentation 210, on peut donc considérer que hmin doit être supérieure à une hauteur hmem correspondant au sommet de la surface active de l’assemblage membrane/électrodes 31.
Par ailleurs, les réservoirs 210 et 8 sont reliés par une conduite 80, mettant en communication un orifice 82 du réservoir 210 avec un orifice 81 du réservoir 8. Au repos, pour garantir également un rééquilibrage entre le niveau d’eau du réservoir extérieur 8 et du volume d’alimentation 210, le niveau dans le réservoir extérieur 8 doit être maintenu à une hauteur h2 de l’orifice 82. La hauteur minimale hmin est ici définie par la hauteur h2. L’orifice 82 est ainsi localisé au-dessus de la hauteur hmem.
Enfin, le volume 210 est surmonté d’un couvercle 212 dans lequel le circuit d’échappement 211, également désigné évent d’échappement, permet d’évacuer le mélange d’air/dioxygène contenu dans la partie supérieure du volume d’alimentation 210. Une hauteur maximale hms de l’eau dans le volume d’alimentation 210 est définie telle que, au repos du brûleur 1 et comme indiqué sur la figure 9, le niveau d’eau du volume d’alimentation 210 soit avantageusement à minima à 10mm en dessous de l’évent d’échappement 211, pour éviter toute obstruction par de l’eau.
On peut ainsi donner un dimensionnement particulier de l’évent d’échappement 211.
Avec un réservoir 8 et un volume d’alimentation 210 de sections horizontales constantes sur leur hauteur, le réservoir extérieur 8 présente une hauteur de réserve ∆h, pour contenir le volume d’eau chassé depuis le volume d’alimentation 210, qui peut être définie comme suit :
∆h=(Svalim*(hms-hmin))/Srext [Re1]
avec :
- Svalim la section du volume d’alimentation 210 selon un plan horizontal,
- Srext la section du réservoir extérieur 8 selon un plan horizontal.
- Svalim la section du volume d’alimentation 210 selon un plan horizontal,
- Srext la section du réservoir extérieur 8 selon un plan horizontal.
La perte de charge Pcech de l’évent calibré 211 peut être déterminée en suivant la règle de conception ci-après : une partie du débit total de dioxygène produit est évacuée par l’évent 211, l’autre partie du débit devant s’échapper en bullant à travers le réservoir 8 pour pouvoir être refroidie avant de s’échapper vers l’extérieur.
Dans le présent exemple, l’évent 211 est un cylindre de section circulaire de diamètre d calibré, s’étendant sur une longueur l correspondant à l’épaisseur du couvercle 212. La perte de charge provoquée par l’évent 211 de diamètre calibré est la somme de toutes les pertes de charges singulières et régulières.
La perte de charge singulière ∆Psing est ici due aux changements de section de l’évent 211 :
∆Psing=(kent+ksor)*ρo*V2)/2 [Re2]
avec :
- ∆Psing la perte de charge singulière en Pascal à travers l’évent 211 ;
- kent un coefficient sans unité dû à l’entrée de l’évent 211 ;
- ksor un coefficient sans unité dû à la sortie de l’évent 211 ;
- ρo la masse volumique de l’oxygène saturé en humidité ;
- V La vitesse du dioxygène dans le diamètre de l’évent 211.
- ∆Psing la perte de charge singulière en Pascal à travers l’évent 211 ;
- kent un coefficient sans unité dû à l’entrée de l’évent 211 ;
- ksor un coefficient sans unité dû à la sortie de l’évent 211 ;
- ρo la masse volumique de l’oxygène saturé en humidité ;
- V La vitesse du dioxygène dans le diamètre de l’évent 211.
Les pertes de charge régulières ∆Preg sont définies comme suit :
∆Preg=(f*l*ρo*V2)/(2*d) [Re3]
avec f un coefficient de friction de l’écoulement à travers l’évent 211. Le coefficient de friction f, dans l’hypothèse d’un écoulement en régime laminaire est donné par la formule
f=64/Re [Re4]
avec Re le nombre de Reynolds donné par la relation
Re=ρo*V*d/µ [Re5]
avec µ la viscosité dynamique de l’oxygène saturé en humidité.
f=64/Re [Re4]
avec Re le nombre de Reynolds donné par la relation
Re=ρo*V*d/µ [Re5]
avec µ la viscosité dynamique de l’oxygène saturé en humidité.
La perte de charge Pcech de l’évent calibré 211 peut être définie suit :
Pcech=(((kent+ ksor)*ρo*V2)/2)+(32µ*l*V)/(d²) [Re6]
La vitesse V est définie par la relation suivante :
V = Qe/Se [Re7]
avec
- Qe le débit à travers l’évent 211 ;
- Se la section de passage de l’évent circulaire 211
avec
Se=π*d²/4 [Re8]
V = Qe/Se [Re7]
avec
- Qe le débit à travers l’évent 211 ;
- Se la section de passage de l’évent circulaire 211
avec
Se=π*d²/4 [Re8]
On déduit de la relation [Re7]
V=4*Qe/(π*d²) [Re9]
V=4*Qe/(π*d²) [Re9]
On peut alors exprimer Pcech comme suit :
Pcech=(((kent+ ksor)*ρo*(4*Qe/(π*d²))2)/2)+(128µ*l*(Qe/( π*d4))) [Re10]
La géométrie du volume 210 étant connue entre la hauteur h2 et une hauteur hmc correspondant au niveau le plus bas de la surface inférieure du couvercle 212, les seules inconnues/variables sont Qe, Se et l pour la différence de pression entre l’évent 211 et la hauteur h2 à l’intérieur du volume 210. On peut ainsi exprimer cette différence de pression par :
P21 1 -h2=m(Qe, Se, l) [Re11]
avecmune fonction.
P21 1 -h2=m(Qe, Se, l) [Re11]
avecmune fonction.
En appliquant le même raisonnement pour l’écoulement à travers la conduite 80, on obtient Pccon la perte de charge de l’écoulement de dioxygène à travers cette conduite 80 :
Pccon=n(Qr) [Re12]
avecnune fonction et Qr le débit d’oxygène à travers la conduite 80 et le réservoir 8.
Pccon=n(Qr) [Re12]
avecnune fonction et Qr le débit d’oxygène à travers la conduite 80 et le réservoir 8.
On considèrera que la variation de pression entre une hauteur h1 de l’orifice 81 et la hauteur hms est essentiellement due à la hauteur de colonne d’eau dans le réservoir 8. Dans ce cas, on peut écrire Pcol la pression due à la colonne d’eau comme suit:
Pcol=(ρ*g*hv) [Re13]
avec ρ la masse volumique de l’eau, g la gravité terrestre, et hv=(hmr-h1). Par ailleurs :
hmr=hms+∆h [Re14]
On peut alors définir la différence de pression entre les points 82 et 84 comme suit :
P82 -84=n(Qr)+(ρ*g*hv) [Re15]
Pcol=(ρ*g*hv) [Re13]
avec ρ la masse volumique de l’eau, g la gravité terrestre, et hv=(hmr-h1). Par ailleurs :
hmr=hms+∆h [Re14]
On peut alors définir la différence de pression entre les points 82 et 84 comme suit :
P82 -84=n(Qr)+(ρ*g*hv) [Re15]
Les pressions au niveau de l’évent 211 et au niveau de l’ouverture 84, à une hauteur hmr correspondant au sommet du réservoir 8, sont ici égales à la pression atmosphérique notée Patm. On peut donc déduire de la relation [Re11] que la pression P82 au niveau de l’orifice 82 se définit comme
P82=m(Qe, Se, l)+Patm [Re16]
P82=m(Qe, Se, l)+Patm [Re16]
On peut également déduire de la relation [Re15] que la pression P82 peut aussi se définir comme
P82=n(Qr)+(ρ*g*hv)+Patm [Re17]
P82=n(Qr)+(ρ*g*hv)+Patm [Re17]
On en déduit alors la relation suivante :
m(Qe, Se, l)-n(Qr)-(ρ*g*hv)=0 [Re18]
m(Qe, Se, l)-n(Qr)-(ρ*g*hv)=0 [Re18]
Le débit total de dioxygène Qg généré par l’électrolyseur 2 peut se définir par la relation suivante :
Qg=(22,4*10-3*Iel)/386000 [Re19]
avec Iel le courant d’électrolyse.
La relation
Qg=Qe+Qr [Re20]
est également vérifiée.
On peut en déduire
Qe=(22,4*10-3*Iel)/386000-Qr [Re21]
Qg=(22,4*10-3*Iel)/386000 [Re19]
avec Iel le courant d’électrolyse.
La relation
Qg=Qe+Qr [Re20]
est également vérifiée.
On peut en déduire
Qe=(22,4*10-3*Iel)/386000-Qr [Re21]
Par combinaison avec la relation [Re18], on en déduit :
m(((22,4*10-3*Iel)/386000-Qr), Se, l)-n(Qr)-(ρ*g*hv)=0 [Re22]
m(((22,4*10-3*Iel)/386000-Qr), Se, l)-n(Qr)-(ρ*g*hv)=0 [Re22]
La résolution de la relation [Re22] (par exemple au moyen d’un solveur numérique) permet de déterminer le débit Qr de dioxygène qui traverse le réservoir externe 8 en régime établi, pour une longueur l donnée de l’évent 211, ainsi que le débit Qe. Le nombre de Reynolds Re peut alors être déterminé à partir de [Re5] pour vérifier l’hypothèse d’un écoulement laminaire dans les canalisations. Si l’écoulement n’est pas laminaire, il faut recalculer le coefficient de friction f de pertes de charge linéaire avec un diagramme de Moody.
Une fois le débit de gaz Qe passant par l’évent 211 calculé, on peut comparer la proportion de ce débit Qe par rapport au débit Qg. Avantageusement, on fera en sorte de respecter la relation suivante en régime établi :
Qg/2≥Qe [Re23]
et de préférence Qg/3≥Qe [Re24]
Qg/2≥Qe [Re23]
et de préférence Qg/3≥Qe [Re24]
Avantageusement, l’évent 211 (et de façon générale le circuit d’échappement 211) est dimensionné de sorte que le niveau dans le volume d’alimentation 210 et le réservoir externe 8 soit équilibré après l’arrêt de l’électrolyseur. A cet effet, la relation suivante doit être résolue, en plus de la relation [Re23] :
Par dérivation de la relation [Re16], en tenant compte que seul le flux à travers l’évent 211 participe à l’évolution de la pression P82, on obtient :
Néanmoins, la résolution de la relation 25 conduit par défaut à un temps infini d’équilibrage des niveaux. On peut considérer le rééquilibrage comme satisfaisant lorsque l’écart après une durée x définie entre le niveau du volume 210 et le niveau du réservoir 8 est inférieur à 10% de ∆h. Dans ce cas, la relation [Re25] devient :
Un résultat de dimensionnement peut s’obtenir par itérations de la relation [Re27] en modifiant le diamètre et/ou la longueur de l’évent 211 en fonction du débit de dioxygène produit et fixant une durée x d’équilibrage par exemple au plus égale à 5s.
Lorsque cet aspect de l’invention est combiné à la purge entre la liaison 133 et le réservoir 8, comme décrit précédemment, on dimensionne avantageusement les écoulements et les ouvertures/fermetures de la vanne 505 pour que :
-un débit de dihydrogène vers le réservoir 8 soit établi avant un débit de dioxygène vers ce réservoir 8 ;
-le débit de dihydrogène vers le réservoir 8 soit déjà interrompu lorsque le débit de dioxygène vers ce réservoir 8 est établi. L’instant d’apparition du débit de dioxygène vers le réservoir 8 peut être déterminé expérimentalement.
-un débit de dihydrogène vers le réservoir 8 soit établi avant un débit de dioxygène vers ce réservoir 8 ;
-le débit de dihydrogène vers le réservoir 8 soit déjà interrompu lorsque le débit de dioxygène vers ce réservoir 8 est établi. L’instant d’apparition du débit de dioxygène vers le réservoir 8 peut être déterminé expérimentalement.
La réaction d’électrolyse génère un volume de dihydrogène double de celui du dioxygène, du fait de la stœchiométrie. Si le volume d’eau à déplacer pour atteindre le réservoir 8 était identique pour le dioxygène (via la conduite 80) et pour le dihydrogène (via la vanne 505), le dioxygène devrait atteindre le réservoir 8 en un temps double du temps nécessaire au dihydrogène. Afin de garantir que l’écoulement de dihydrogène puise être interrompu lorsque l’écoulement de dioxygène vers le réservoir 8 s’établit, on respecte avantageusement la relation suivante :
Vdh<Vdo/4 [Re28]
avec Vdh le volume à parcourir pour le dihydrogène à partir de la configuration au repos, avant d’atteindre le réservoir 8 par l’intermédiaire de la vanne 505, Vdo le volume à parcourir pour le dioxygène à partir de la configuration au repos, avant d’atteindre le réservoir 8 par l’intermédiaire de la conduite 80.
Vdh<Vdo/4 [Re28]
avec Vdh le volume à parcourir pour le dihydrogène à partir de la configuration au repos, avant d’atteindre le réservoir 8 par l’intermédiaire de la vanne 505, Vdo le volume à parcourir pour le dioxygène à partir de la configuration au repos, avant d’atteindre le réservoir 8 par l’intermédiaire de la conduite 80.
Pour ne pas retarder excessivement l’écoulement de dioxygène dans le reservoir 8, on respecte avantageusement la relation suivante:
Vdo/8<Vdh<Vdo/4 [Re29]
Vdo/8<Vdh<Vdo/4 [Re29]
Selon un autre aspect de l’invention, un circuit de refroidissement à air 700 est ménagé dans un boîtier 70. L’alimentation électrique 7 est logée dans ce boîtier 70 et bénéficie donc du refroidissement par le circuit 700.
La figure 14 est une vue en perspective du brûleur à hydrogène 1 avec une section au niveau d’un volume d’aération du boîtier 70. Le mouvement d’air dans le circuit de refroidissement 700 est ici généré par un ventilateur 703. Le ventilateur 703 est avantageusement placé entre une entrée 701 et une sortie 702 ménagées dans des parois du boîtier 70. Le ventilateur 703 comporte par exemple un moteur électrique alimenté par l’alimentation électrique 7.
L’entrée 701 est avantageusement ménagée en partie basse d’une paroi externe du boîtier 70. L’entrée 701 peut par exemple être ménagée dans la paroi latérale externe du boîtier 70, comme représenté figure 14, ou par exemple dans la paroi constituant le fond du boîtier 70.
La sortie 702 est avantageusement ménagée en partie haute de la paroi latérale du boîtier 70 immédiatement voisine du réservoir externe 8. Cette paroi latérale est ici opposée à la paroi latérale externe dans laquelle est ménagée l’entrée 701 précédemment décrite, afin d’optimiser le refroidissement de l’alimentation 7.
Comme illustré à la figure 14, l’entrée 701 et la sortie 702 présentent par exemple des formes rectangulaires. Les faces inférieure et supérieure de la paroi délimitant la sortie 702 présentent par exemple une inclinaison par rapport à un plan horizontal parallèle à la face supérieure externe du boîtier 70. Pour ces faces inférieure et supérieure, leurs arrêtes internes au boîtier 70 sont placées avantageusement en dessous de leurs arrêtes externes ; on peut ainsi considérer que la sortie 702 présente une inclinaison montante de l’intérieur vers l’extérieur du boîtier 70, afin d’orienter le flux d’air sortant vers le dessus du réservoir.
Du fait du bullage produit dans le réservoir 8 selon un autre aspect de l’invention précédemment décrit, des réactifs gazeux produits lors de la réaction d’électrolyse sont amenés à s’échapper des orifices 84 pratiqués dans le couvercle du réservoir 8. Le flux d’air créé par le circuit de refroidissement 700 et passant via la sortie 702 contribue à la dilution de ces réactifs gazeux en débouchant au niveau d’une partie supérieure de la cellule électrochimique, et en particulier au niveau de la partie supérieure du réservoir 8. La sortie 702 pourra présenter différentes formes possibles en fonction de la forme et de la direction souhaitées pour le flux d’air de dilution.
Une telle dilution permet de réduire le risque d’inflammation en garantissant une très faible concentration de dihydrogène au dessus du réservoir. Une telle dilution est en outre effectuée sans rendre l’électrolyseur plus complexe ou consommateur d’énergie, puisqu’on réutilise un flux d’air déjà disponible pour assurer le refroidissement de l’alimentation électrique 7.
Le sens d’écoulement choisi (aspiration d’air frais par 701 puis soufflage d’air du compartiment électrique 70 par la sortie 702 vers le dessus du réservoir potentiellement enrichi en H2, et non aspiration d’air potentiellement enrichi en hydrogène par l’entrée 701) permet d’éviter que de l’air enrichi en hydrogène ne traverse le boîtier 70 et n’entre en contact avec des composants électriques de l’alimentation 7, pouvant potentiellement générer des étincelles.
Cet aspect de l’invention s’avère particulièrement intéressant en combinaison avec la mise en communication du réservoir externe 8 avec le réservoir de récupération 504 par l’intermédiaire de la vanne 505, du fait d’une potentielle évacuation de dihydrogène par l’intermédiaire du réservoir externe 8.
La sortie 702 et le circuit de refroidissement 700 pourront être conçus pour adapter le flux d’air sortant, afin que ce flux soit laminaire, turbulent ou tourbillonnaire en fonction d’un mode de dilution souhaité.
Claims (11)
- Brûleur (1), comprenant :
-une première cellule électrochimique (21) d’électrolyse d’eau comprenant un premier assemblage membrane/électrodes (31) incluant une première membrane échangeuse de protons (311), une première face du premier assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un premier volume d’alimentation en eau (210), une deuxième face du premier assemblage membrane/électrodes (31) étant en communication avec un premier collecteur de dihydrogène (410) ;
caractérisé en ce que :
-le brûleur (1) comprend en outre une tête de brûlage (19) configurée pour enflammer le dihydrogène, la tête de brûlage (19) et le premier volume d’alimentation en eau (210) étant séparés du premier collecteur de dihydrogène (410) par le premier assemblage membrane-électrodes (31) ;
-le brûleur comprend en outre un premier circuit d’écoulement (11) mettant en communication la tête de brûlage (19) et le premier collecteur de dihydrogène (410) ;
-la première membrane échangeuse de protons (311) comportant un alésage (312) traversé par ledit premier circuit d’écoulement (11) ;
-le brûleur (1) comprend en outre un premier joint (61) disposé dans ledit alésage (310) et séparant la première membrane échangeuse de protons du premier circuit d’écoulement. - Brûleur (1) selon la revendication 1, comprenant en outre :
-une deuxième cellule électrochimique (22) d’électrolyse d’eau comprenant un deuxième assemblage membrane/électrodes (32) incluant une deuxième membrane échangeuse de protons (321), une première face du deuxième assemblage membrane/électrodes étant en communication avec un deuxième volume d’alimentation en eau (210), une deuxième face du deuxième assemblage membrane/électrodes (32) étant en communication avec un deuxième collecteur de dihydrogène (420) ;
-un deuxième circuit d’écoulement (12) mettant en communication la tête de brûlage (19) et le deuxième collecteur de dihydrogène (420) ;
-dans lequel la tête de brûlage (19) et les premier et deuxième volumes d’alimentation en eau (210, 220) sont séparés du deuxième collecteur de dihydrogène (420) par le deuxième assemblage membrane-électrodes (32) ;
-dans lequel la deuxième membrane échangeuse de protons (321) comporte un alésage (320) traversé par ledit deuxième circuit d’écoulement (12) ;
-le brûleur (1) comprend en outre un deuxième joint (62) disposé dans ledit alésage (320) et séparant la deuxième membrane échangeuse de protons du deuxième circuit d’écoulement. - Brûleur (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant un conduit vertical (13) reliant ledit premier circuit d’écoulement (11) et la tête de brûlage (19).
- Brûleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier joint (61) comporte des premier et deuxième éléments (611, 612) entre lesquels ladite première membrane échangeuse de protons est comprimée, lesdits premier et deuxième éléments étant en saillie radialement dans ledit alésage (310) et étant en contact mutuel dans ledit alésage.
- Brûleur (1) selon la revendication 4, dans lequel les premier et deuxième éléments (611, 612) sont en saillie radialement dans ledit alésage (310) sur une distance D telle que D>Epm/2, avec Epm l’épaisseur de ladite première membrane échangeuse de protons (311).
- Brûleur (1) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l’épaisseur cumulée desdits premier et deuxième éléments (611, 612) en l’absence de compression est au moins le double de l’épaisseur Epm de ladite première membrane échangeuse de protons (311).
- Brûleur (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel les premier et deuxième éléments sont formés avec un même matériau.
- Brûleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier joint (61) est formé avec un matériau présentant une dureté Shore A au plus égale à 60.
- Brûleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier joint (61) est formé avec un matériau présentant une résistivité électrique supérieure à 100 Ω/cm.
- Brûleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit premier joint (61) est formé avec un matériau résistant à une température d’au moins 180°C.
- Brûleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, incluant en outre une alimentation électrique (7) configurée pour appliquer une puissance ou un courant ou une différence de potentiel entre lesdites première et deuxième faces du premier assemblage membrane/électrodes (31) de façon à électrolyser de l’eau présente dans ledit premier volume d’alimentation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1900288A FR3091749B1 (fr) | 2019-01-11 | 2019-01-11 | Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1900288 | 2019-01-11 | ||
| FR1900288A FR3091749B1 (fr) | 2019-01-11 | 2019-01-11 | Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3091749A1 true FR3091749A1 (fr) | 2020-07-17 |
| FR3091749B1 FR3091749B1 (fr) | 2020-12-11 |
Family
ID=66690642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1900288A Active FR3091749B1 (fr) | 2019-01-11 | 2019-01-11 | Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3091749B1 (fr) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3761221A (en) * | 1971-10-13 | 1973-09-25 | F Stillions | Combination combustible gas generator-burner |
| WO2004046613A2 (fr) * | 2002-11-15 | 2004-06-03 | Utc Fuel Cells, Llc | Bruleur pour la combustion de flux de gaz d'echappement d'anode dans une centrale a piles a combustible a membrane echangeuse de protons (pmec) |
| CN105546575A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-05-04 | 慈溪市天启电子有限公司 | 一种电解水的点火装置 |
-
2019
- 2019-01-11 FR FR1900288A patent/FR3091749B1/fr active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3761221A (en) * | 1971-10-13 | 1973-09-25 | F Stillions | Combination combustible gas generator-burner |
| WO2004046613A2 (fr) * | 2002-11-15 | 2004-06-03 | Utc Fuel Cells, Llc | Bruleur pour la combustion de flux de gaz d'echappement d'anode dans une centrale a piles a combustible a membrane echangeuse de protons (pmec) |
| CN105546575A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-05-04 | 慈溪市天启电子有限公司 | 一种电解水的点火装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3091749B1 (fr) | 2020-12-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FR2952232A1 (fr) | Pile a combustible et procedure d'arret d'une pile a combustible. | |
| EP2481117B1 (fr) | Réacteur électrochimique,tel qu'une pile a combustible ou un électrolyseur, équipé d'un dispositif de mesure d'un paramètre d'un gaz spécifique de l'opération dudit réacteur | |
| EP1776730B1 (fr) | Controle de l'humidification de la membrane polymere d'une pile a combustible | |
| CA1038926A (fr) | Structure et nouveau systeme de pile a combustible notamment pour combustible carbone et air atmospherique | |
| WO2014167477A1 (fr) | Procedes d'obtention de gaz combustible a partir d'electrolyse de l'eau (eht) ou de co-electrolyse avec h2o/co2 au sein d'une meme enceinte, reacteur catalytique et systeme associes | |
| EP3494608B1 (fr) | Systeme de regulation de temperature et de pression d'un electrolyseur a haute temperature (soec) fonctionnant de maniere reversible en pile a combustible (sofc) | |
| FR2952234A1 (fr) | Procedure de detection de l'etat de permeabilite de la membrane polymere echangeuse d'ions d'une pile a combustible. | |
| CA3014054C (fr) | Systeme d'electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression dans une enceinte etanche dont la regulation est amelioree | |
| FR3049876A1 (fr) | Systeme de separation gaz/liquide, application en sortie de reacteur d'(de co-)electrolyse de l'eau a haute temperature (soec) ou de pile a combustible (sofc) | |
| EP3360187A1 (fr) | Systeme d'electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression dont la regulation est amelioree | |
| FR3091749A1 (fr) | Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte | |
| FR3091747A1 (fr) | Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte | |
| FR3091711A1 (fr) | Electrolyseur d’eau portatif configuré pour limiter les risques de concentration de dihydrogène | |
| FR3091748A1 (fr) | Brûleur à hydrogène muni d’une cellule électrochimique à membrane échangeuse de protons compacte | |
| FR3091712A1 (fr) | Electrolyseur pour usage domestique | |
| WO2018115630A1 (fr) | Système à pile à combustible, et procédé de pilotage associé | |
| EP2294647B1 (fr) | Culasse de distribution d'une pile a combustible | |
| FR2941330A1 (fr) | Gestion de l'eau dans une pile a combustible. | |
| EP2805370B1 (fr) | Système d'alimentation d'une pile à combustible en gaz | |
| FR3057277A1 (fr) | Generateur de vapeur d'eau, pour reacteur d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression | |
| FR3117684A1 (fr) | Procédé de fonctionnement en mode stand-by chaud d’une pile à combustible SOFC ou d’un réacteur SOEC. | |
| WO2016189162A2 (fr) | Installation de cogeneration comprenant une pile a combustible sofc fonctionnant au gaz naturel, au demarrage facilite eta la securite accrue | |
| EP3913113A1 (fr) | Incinérateur pour la production d'hydrogène | |
| FR3128589A1 (fr) | Système électrochimique et procédé de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau découplée, comportant une étape de désoxygénation de l’électrolyte | |
| EP3920287A1 (fr) | Dispositif hybride de generation de puissance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20200717 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |