FR3125648A1 - Installation de production d’électricité comportant une pile à combustible à hydrogène et un réacteur chimique apte à produire du dihydrogène – procédé associé - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une installation de production d’électricité comprenant - au moins une pile à combustible (1) générant de l’électricité et utilisant le dihydrogène en tant que combustible réducteur et fonctionnant à une température de fonctionnement donnée ; - un réacteur chimique (3) thermiquement connecté à ladite pile et permettant la production chimique de dihydrogène via une réaction chimique endothermique qui a lieu à une température inférieure ou égale à ladite température de fonctionnement de ladite pile (1); et - des moyens (141) permettant d’introduire dans ladite pile le dihydrogène produit dans ledit réacteur chimique. Fig. 1

Description

Installation de production d’électricité comportant une pile à combustible à hydrogène et un réacteur chimique apte à produire du dihydrogène – procédé associé
La présente invention concerne une installation de production d’électricité comprenant une pile à combustible à hydrogène.
Art antérieur
Les piles à combustible à hydrogène sont connues pour fonctionner à de hautes températures, allant notamment de 450°C à 1000°C. Dans ces piles, l’hydrogène est oxydé, soit à la cathode, si l’hydrogène traverse l’électrolyte sous forme ionique vers celle-ci, soit à l’anode si l’oxygène traverse l’électrolyte vers l’anode comme dans le cas des piles SOFC à oxyde solide. Le rendement énergétique de toutes ces piles à combustible n’excède cependant rarement que 60% de l’énergie.
Il est connu d’utiliser la chaleur dégagée par ces piles lors de leur fonctionnement pour faire fonctionner des turbines qui elles aussi fournissent de l’électricité. On parle alors de coproduction.
Néanmoins, la valorisation de la chaleur dégagée en production d’électricité ne s’avère pas suffisante.
Problème technique
La présente invention a pour but de proposer une installation de production d’électricité comprenant une pile à combustible à hydrogène qui permet de valoriser la chaleur dégagée par la pile.
La présente invention a également pour but de proposer un procédé permettant de valoriser la chaleur dégagée par la pile à combustible à hydrogène.
Brève description de l’invention
La présente invention concerne une installation de production d’électricité comprenant au moins une pile à combustible générant de l’électricité et utilisant le dihydrogène en tant que combustible réducteur, ladite pile fonctionnant à une température de fonctionnement donnée. De manière caractéristique, selon l’invention, l’installation comporte également un réacteur chimique, thermiquement connecté à ladite pile et permettant la production chimique de dihydrogène via une réaction chimique endothermique qui a lieu à une température inférieure ou égale à ladite température de fonctionnement de ladite pile et des moyens permettant d’introduire dans ladite pile le dihydrogène produit dans ledit réacteur chimique.
L’installation selon l’invention permet donc de produire, dans un même temps, de l’électricité et du dihydrogène, lequel est utilisé comme combustible réducteur dans la pile. La chaleur est utilisée pour la production de dihydrogène et le reliquat de chaleur, s’il existe, peut encore servir éventuellement à la production d’électricité par une turbine ou pour le chauffage, par exemple.
Le réacteur chimique peut être configuré pour recevoir directement par convexion ou conduction la chaleur dégagée par la pile. L’installation peut également comprendre des moyens de connexion thermique entre ladite pile et ledit réacteur chimique. Ces moyens de connexion thermique peuvent être ou comporter, par exemple, un circuit de fluide caloporteur circulant entre la pile et le réacteur.
Avantageusement, ladite température de fonctionnement de ladite pile est supérieure ou égale à 850°C ou 860°C. Elle est avantageusement inférieure ou égale à 1000°C ou 1100°C.
La pile n’est pas limitée selon l’invention. Il peut s’agir d’une pile à combustible à hydrogène à membrane échangeuse de protons ou d’une pile à combustible à hydrogène à oxyde solide (SOFC).
La pile est avantageusement choisie parmi les piles à combustible à oxyde solide, lesquelles ont une température de fonctionnement élevée, c’est-à-dire, supérieure à 850°C.
Selon l’invention, l’électrolyte solide de la pile SOFC (« solid oxide fuel cells ») n’est pas limité. S’agissant d’un électrolyte solide de type oxyde(s) métallique(s), il peut, par exemple, être choisi parmi les oxydes d’yttrium stabilisés avec du zirconium, (YSZ) , les oxydes de scandium stabilisés avec du zirconium, (ScSZ), le gadolinium dopés à/aux oxydes de cérium (GDC), le bismuth stabilisé par l’oxyde(s) d’erbium (ERB), les oxydes de cérium dopés avec un ou des oxydes de samarium et les mélanges d’au moins deux de ces oxydes.
S’agissant d’un électrolyte solide contenant ou constitué de céramique, il peut, par exemple, être choisi parmi les céramiques et en particulier, les céramiques composites contenant des sels d’oxyde(s) de cérium, (CSCs).
La réaction chimique permettant la production de dihydrogène n’est pas limitée selon l’invention. Un exemple particulièrement avantageux est la production de dihydrogène à partir d’iodure d’hydrogène selon la réaction 2HI→ I2+ H2, laquelle peut avoir lieu en phase gaz à 830°C. Le compartiment principal contient donc de l’iodure d’hydrogène et éventuellement les produits de la réaction (à savoir le dihydrogène et le diode).
Avantageusement, le réacteur chimique comporte en outre, au moins un premier compartiment secondaire permettant la réaction entre deux molécules d’acide sulfurique (ce compartiment contient donc au moins de l’acide sulfurique et éventuellement les produits de la réaction (c’est-à-dire du dioxyde de soufre, de l’eau et du dioxygène) et/ou au moins un deuxième compartiment secondaire qui permet la réaction entre le diode, l’oxyde de soufre et l’eau, laquelle produit de l’iodure d’hydrogène et de l’acide sulfurique. Ce deuxième compartiment secondaire contient donc de l’iode diatomique, de l’eau et du dioxyde de soufre et éventuellement les produits de cette réaction, c’est-à-dire l’iodure d’hydrogène et l’acide sulfurique deuxième compartiment secondaire permettant et lesdits compartiments secondaires sont thermiquement connectés audit compartiment principal et/ou à ladite pile.
En effet, la publication intitulée « Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle », de P. Pickard, et publiée le 17 mai 2006 dans la revue Sandia National Labs, décrit une série de réactions permettant une production de dihydrogène respectueuse de l’environnement. Le cycle Soufre-Iode précité permet, à l’aide de chaleur élevée de produire de l’hydrogène tout en laissant partir un peu de chaleur à 120°C pour une perte énergétique de chaleur estimée à environ 15%. la réaction I2+ SO2+ 2 H2O → 2 HI +H2SO4à 120 °C dégageant 15% de la chaleur nécessaire aux deux réactions endothermiques : 2 H2SO4→ 2 SO2+ 2 H2O + O2et 2 HI → I2+ H2lesquelles sont effectuées de préférence, respectivement à 830 °C et 650 °C , la pile SOFC fonctionnant elle de préférence à 860°C ou plus.
Avantageusement, l’installation comporte un premier et un deuxième compartiment secondaire et des moyens d’introduction de l’iode diatomique produit dans ledit compartiment principal vers ledit deuxième compartiment secondaire et des moyens d’introduction de l’acide sulfurique produit dans ledit deuxième compartiment secondaire dans ledit premier compartiment secondaire. Les moyens d’introduction peuvent être de simples conduites équipées éventuellement de séparateurs. Avantageusement, les moyens d’introduction comportent des séparateurs et des conduites adaptées. La phase du diiode et de l’acide sulfurique lors de leur réintroduction n’est pas limitative selon l’invention. Ils peuvent être liquides ou gazeux, indépendamment l’un de l’autre, en fonction des conditions de température et de pression dans les séparateurs qui équipent les sorties des compartiments du réacteur.
Selon un mode de réalisation particulier pouvant être combiné à l’un quelconque des modes de réalisation précités, la pile utilise du dioxygène pour la production d’électricité et l’installation de l’invention comporte un premier compartiment secondaire et également des moyens d’introduction du dioxygène produit dans ledit premier compartiment secondaire vers ladite pile.
L’installation de l’invention permet ainsi de produire à la fois du dihydrogène et du dioxygène lesquels sont utilisés dans la réaction électrochimique de la pile. L’installation de l’invention peut donc fonctionner avec un apport réduit de dihydrogène et/ou d’oxygène externe. Elle est donc particulièrement écologique et s’avère être économiquement avantageuse.
L’installation de l’invention peut être utilisée pour produire du courant électrique par exemple à destination industrielle, domestique, adjoint à un ou des moteurs électriques pour mouvoir des véhicules, ou pour des dispositifs de production énergétique permettant la production de dihydrogène et nécessitant de fortes puissances électriques pour fonctionner, telle que la fusion nucléaire par ion accéléré, par exemple.
La présente invention concerne donc également un véhicule, un chauffage urbain et une installation permettant la fusion nucléaire qui comportent chacun l’installation de l’invention.
La présente invention concerne également un procédé de production d’électricité au moyen d’une pile à combustible utilisant le dihydrogène en tant que combustible réducteur selon lequel on utilise la chaleur produite lors du fonctionnement de ladite pile à combustible pour générer chimiquement du dihydrogène et éventuellement du dioxygène, lequel est ensuite éventuellement introduit dans ladite pile.
Avantageusement, on produit également du dioxygène qui est réintroduit dans la pile lorsque cette dernière utilise du dioxygène pour produire l’électricité.
Définitions
Les termes « thermiquement connecté(e) » indiquent que deux ou plusieurs éléments sont en relation thermique soit directe, par contact permettant le phénomène de conduction ou par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur adapté.
Le terme « oxyde » désigne au sens de l’invention un oxyde métallique permettant le transport des ions O2.
Les termes « pile à combustible à oxyde solide » désignent tout dispositif électrochimique permettant de produire de l’électricité par oxydation d’un combustible et comprenant un électrolyte solide pouvant être un oxyde métallique solide, un mélange d’oxydes métalliques ou une céramique.
Figures
La présente invention, ses caractéristiques et les divers avantages qu’elle procure apparaitront mieux à la lecture de la description qui suit, présentée à titre d’exemple illustratif et non limitatif et qui fait référence à la figure annexée :
La représente une vue schématique d’un mode de réalisation particulier de la présente invention ; et
Exemples
En référence à la , un premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit. L’installation comporte une pile 1, laquelle est une pile à combustible à oxyde métallique solide. Malgré son fonctionnement à haute température (de 850°C à 1000° C), la pile 1 dégage de la chaleur. La pile 1 est thermiquement connectée à un réacteur chimique 3, lequel comporte trois compartiments. Un gradient thermique est présent dans le réacteur chimique 3 afin d’assurer les températures de réaction adaptées. Les deux compartiments supérieurs du réacteur sont thermiquement connectés entre eux. Le réacteur chimique 3 comporte un compartiment principal 310 qui est central sur la . Un premier compartiment secondaire 311 est situé au-dessus du compartiment principal 310. Ce premier compartiment secondaire 311 est disposé de manière à récupérer en premier la chaleur produite par la pile 1 de sorte que la température en son sein est plus élevée que dans le compartiment principal 310. Un deuxième compartiment secondaire 312 est disposé sous le compartiment principal 310.; le diiode issu du séparateur 14 est avantageusement amené dans la cuve 312 à une température de 120°C sous forme liquide ; le mélange d’eau et de dioxyde de soufre est amené en provenance du séparateur 65, de préférence aussi à une température de 120°C, et de préférence sous un pression permettant que les deux composantes de ce mélange gazeux soit liquide, la pression partielle du dioxyde de soufre étant par exemple de 50bars.
La température du deuxième compartiment secondaire 312 est inférieure à celle du compartiment principal 310. Sur la , les deux compartiments supérieurs sont thermiquement connectés de sorte que la chaleur se transmet du premier compartiment secondaire vers le compartiment principal. L’agencement des compartiments n’est pas limité à celui représenté sur la . En particulier, les compartiments peuvent ne pas avoir une paroi commune à travers laquelle la chaleur se transmet. La chaleur résiduelle résultant du fonctionnement de l’installation est évacuée au niveau du second compartiment secondaire 312, par exemple par circulation d’un liquide caloporteur dans des tubes traversant ledit compartiment. Elle peut servir, par exemple à produire de l’électricité au moyen d’une turbine. A cet effet, l’installation peut également comprendre une turbine de production d’électricité.
Toujours en référence à la , l’installation comporte un séparateur à gaz 14 dont l’entrée est disposée à la sortie du compartiment principal 310. La sortie de ce séparateur 14 est connectée par une conduite 141 à la pile et par une conduite 142 au deuxième compartiment secondaire 312. Le séparateur 14 peut fonctionner par exemple par détente et refroidissement concomitants du gaz issu du compartiment 310, le diode devenant liquide, entre 184°C et sa température critique de 545.8°C. Le diiode liquide est ensuite éventuellement recompressé pour atteindre la pression de fonctionnement du réacteur 312.
L’installation comporte également un séparateur 16 disposé à l’entrée du compartiment principal 310. L’entrée du séparateur 16 est connectée via une conduite 161 au second compartiment secondaire 312. La sortie du séparateur 16 est connectée d’une part au compartiment principal 310 via une conduite 162 et d’autre part au premier compartiment 311 via une autre conduite 163. A la température de 120°C, l’iodure d’hydrogène HI est gazeux et les autres composants dont l’acide sulfurique sont, sous 50 bars liquides. Le mélange du produit de la réaction du réacteur 312 est donc de préférence extrait dudit 312 réacteur après la fin de la réaction. La pression de l’iodure d’hydrogène est avantageusement abaissée à la pression de fonctionnement du réacteur 310, par exemple 10 bars.
Un troisième séparateur 65 comporte son entrée reliée au premier compartiment secondaire 311 (conduite non référencée et indiquée par une flèche sur la ) et sa sortie reliée par une première conduite (non représentée) à la pile 1 et par une deuxième conduite (non représentée), au deuxième compartiment secondaire 312. Le séparateur 65 fonctionne par exemple par une ou une série de compressions suivies de refroidissement du gaz issu de la décomposition de l’acide sulfurique, permettant par exemple d’extraire du dioxygène gazeux du mélange lorsque sa composante eau et sa composante dioxyde de soufre sont chacune liquides, par exemple chacune ayant une pression partielle de 50bars, à 120°C.
Le fonctionnement de l’installation va maintenant être décrit en référence à la . Dans le compartiment principal 310, la réaction chimique suivante a lieu :
2HI→ I2+ H2. Cette réaction a lieu à une température d’environ 650°C en phase gazeuse.
Dans le premier compartiment secondaire 311, la réaction chimique suivante a lieu :
2H2SO4→ 2SO2+ 2 H20 + O2. Cette réaction a lieu à une température d’environ 830°C en phase gazeuse.
Dans le second compartiment secondaire, la réaction chimique suivante a lieu :
I2+ SO2+ 2H2O → 2HI + H2SO4. Cette réaction a lieu à une température de l’ordre de 120°C, le diiode liquide, mélangé à l’eau et au dioxyde de soufre liquides réagissant avantageusement entre eux ou, alternativement par exemple, le diiode sous forme liquide étant vaporisé dans une atmosphère composée de vapeur d’eau et de dioxyde de soufre.
La pile 1 produit de l’électricité alimentant un réseau non représenté sur la , en consommant du dihydrogène. La chaleur dégagée par la pile 1 est utilisée pour chauffer le premier compartiment secondaire 311 du réacteur chimique 3. Dans ce premier compartiment, l’acide sulfurique réagit sur lui-même pour produire de l’eau, du dioxygène et du dioxyde de soufre. Les produits de la réaction sont séparés dans le séparateur 65 ; le dioxyde de soufre et l’eau sont amenés dans le second compartiment secondaire 312 ; le dioxygène est amené vers la pile 1 pour servir, en plus de l’oxygène amené par ailleurs, par exemple en provenance de l’air, à la réaction d’oxydoréduction qui a lieu dans cette dernière.
Du fait de la chaleur apportée, soit directement de la pile 1, soit après transit dans le premier compartiment secondaire 311, la réaction qui a lieu dans le compartiment principal 310 produit du diiode gazeux et du dihydrogène gazeux. Ces gaz produits sont séparés dans le séparateur 14 ; le dihydrogène est acheminé (via la conduite141) vers la pile 1 pour y réagir. L’iode gazeux sortant du séparateur 14 est acheminé via la conduite 142 vers le deuxième compartiment secondaire 312.
Dans le deuxième compartiment secondaire 312, l’iode réagit avec le dioxyde de soufre et l’eau provenant du premier compartiment secondaire pour produire de l’iodure d’hydrogène (HI) et de l’acide sulfurique. Ces produits sont séparés dans le séparateur 16 ; l’iodure d’hydrogène est séparé et amené vers le compartiment principal 310 afin d’alimenter la réaction dans ce dernier ; l’acide sulfurique est amené dans le premier compartiment secondaire par la conduite 163 reliée au séparateur 16.
La chaleur résiduelle sortant du deuxième compartiment secondaire 312 est évacuée éventuellement dans une turbine ou vers un système de chauffage, notamment un chauffage urbain.

Claims (10)

  1. Installation de production d’électricité comprenant :
    - au moins une pile à combustible (1) générant de l’électricité et utilisant le dihydrogène en tant que combustible réducteur et fonctionnant à une température de fonctionnement donnée ;
    - un réacteur chimique (3) thermiquement connecté à ladite pile et permettant la production chimique de dihydrogène via une réaction chimique endothermique qui a lieu à une température inférieure ou égale à ladite température de fonctionnement de ladite pile (1), et
    - des moyens (141) permettant d’introduire dans ladite pile (1) le dihydrogène produit dans ledit réacteur chimique (3).
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte des moyens de connexion thermique entre ladite pile et ledit réacteur chimique.
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite température de fonctionnement de ladite pile est supérieure ou égale à 850°C.
  4. Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite pile (1) est choisie parmi les piles à combustible à oxyde solide.
  5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite pile à combustible solide comprend un électrolyte solide choisi parmi les oxydes d’yttrium stabilisés avec du zirconium, (YSZ), les oxydes de scandium stabilisés avec du zirconium (ScSZ), le gadolinium dopés à/aux oxyde(s) de cérium (GDC), le bismuth stabilisé par l’oxyde(s) d’erbium (ERB), les oxydes de cérium dopés avec un ou des oxydes de samarium, les mélanges d’au moins deux de ces oxydes, et les céramiques, en particulier les céramiques composites contenant des sels d’oxyde(s) de cérium, (CSCs).
  6. Installation selon l’une quelconque des revendication précédentes, caractérisée en ce que ledit réacteur chimique (3) comporte au moins un compartiment principal (310) permettant la production de dihydrogène à partir d’iodure d’hydrogène.
  7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit réacteur chimique (3) comporte en outre, un premier compartiment secondaire (311) permettant la réaction entre deux molécules d’acide sulfurique et/ou au moins un deuxième compartiment secondaire qui permet la réaction entre le diode, l’oxyde de soufre et l’eau, et en ce que lesdits compartiments secondaires (311 ; 312) sont thermiquement connectés audit compartiment principal (310) et/ou à ladite pile (1).
  8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu’elle comporte un premier et un deuxième compartiment secondaire (311 ; 312) et en ce qu’elle comporte en outre des moyens d’introduction (142) de l’iode diatomique produit dans ledit compartiment principal (310) vers ledit deuxième compartiment secondaire (312) et des moyens d’introduction de l’acide sulfurique produit dans ledit deuxième compartiment secondaire (312) dans ledit premier compartiment secondaire (311).
  9. Installation selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée en ce qu’elle comporte un premier compartiment secondaire (311) et également des moyens d’introduction du dioxygène produit dans ledit premier compartiment secondaire (311) vers ladite pile (1).
  10. Procédé de production d’électricité au moyen d’une pile à combustible utilisant le dihydrogène en tant que combustible réducteur selon lequel on utilise la chaleur produite lors du fonctionnement de ladite pile à combustible pour générer chimiquement du dihydrogène lequel est ensuite éventuellement introduit dans ladite pile.
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