FR3126998A1 - Cellule d’électrolyse sans membrane et son utilisation dans des réactions d’électrolyse - Google Patents
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Abstract
Cellule d’électrolyse sans membrane et son utilisation dans des réactions d’électrolyse La présente invention concerne une cellule d’électrolyse sans membrane, comprenant un corps solide (1), ledit corps solide (1) comprenant une cavité centrale (2), deux logements, au moins une cavité secondaire (2’), au moins un canal d’apport (5) d’une matière, deux canaux d’admission (6, 7) de deux flux d’électrolyte, et au moins un canal d’approvisionnement (8), La configuration de la cellule permet un apport d’une matière, notamment d’un réactif sélectivement à l’anode ou à la cathode, et ce séparé du flux d’électrolyte. Figure 1
Description
La présente invention concerne une cellule d’électrolyse sans membrane et son utilisation dans des réactions d’électrolyse.
L’électrolyse est une technique importante dans la production de divers produits chimiques. Un des enjeux majeurs est la séparation des produits réactionnels formés à la fois à la cathode, et à l’anode. Pour se faire, une panoplie d’électrolyseurs a été développée au fil du temps.
La majorité de ces électrolyseurs comprennent une membrane servant de séparation physique entre la cathode et l’anode.
Cependant, les électrolyseurs utilisant des membranes sont onéreux et nécessitent un entretien contraignant, dû au vieillissement de la membrane.
Pour pallier à ces problèmes, des cellules dépourvues de membrane ont été développées au cours des dernières années. Ces cellules nécessitent cependant la mise en œuvre d’un flux laminaire afin d’éviter que les produits formés à la cathode ne se mélangent avec les produits formés à l’anode, ce qui compliquerait la purification ultérieure du produit à synthétiser, et peut dans certains cas conduire à une réaction parasite entre les produits formés.
Ce flux laminaire nécessite l’implémentation de conditions opérationnelles particulières et contraignantes, ainsi que des dimensions de la cellule d’électrolyse, notamment des canaux, spécifiques pour chaque réaction. Ceci est particulièrement vrai quand des mélanges gaz/liquide sont utilisés, rendant la conception d’une cellule polyvalente sans membrane et à flux laminaire très compliquée.
Une autre contrainte des cellules sans membrane actuellement disponibles, réside dans la nécessité de solubiliser les réactifs dans l’électrolyte. Ceci pose problème quand par exemple lesdits réactifs sont peu solubles dans ledit électrolyte. De plus, dans une telle configuration, les différents réactifs sont apportés à la fois à la cathode, et à l’anode. Ceci peut conduire à des réactions indésirables. De plus, le produit formé à la cathode sera en mélange avec le réactif qui été destiné à l’anode, compliquant ainsi la purification dudit produit .
Il existe donc un besoin de développer des cellules d’électrolyse (en flux) conçues pour permettre un fonctionnement facile à mettre en œuvre, sans nécessité d’un entretien contraignant, et permettant une purification aisée des produits attendus.
CONTEXTE DE L’INVENTION
L’un des buts de l’invention est de fournir une cellule d’électrolyse sans membrane.
Un autre but de la présente invention est de fournir une cellule pouvant être utilisée en absence de flux laminaire.
Un autre but de l’invention est de pouvoir apporter les réactifs séparément de l’électrolyte, notamment des réactifs qui ne sont pas présents dans l’électrolyte.
Encore un autre but de l’invention est de pouvoir apporter les réactifs destinés à la cathode et à l’anode, de façon sélective.
Encore un autre but de l’invention est de pouvoir utiliser la cellule d’électrolyse dans des réactions chimiques, notamment dans la réduction de CO2en CO.
Encore un autre but de l’invention et de pouvoir apporter à la fois des matières liquides et des matières gazeuses, notamment des réactifs gazeux, ainsi que des matières solides dissolues dans un fluide porteur.
Encore un autre but de l’invention est de pouvoir utiliser des matières liquides ou gazeuses qui ne sont pas des réactifs mais qui peuvent avoir pour fonction de modifier la température ou le pH, ou de placer les électrodes sous une atmosphère inerte, et ce de façon sélective à l’une des électrodes.
Les inventeurs ont mis au point une cellule d’électrolyse innovante, sans membrane, de conception telle qu’elle permet notamment un fonctionnement sans nécessité de flux laminaire. La possibilité d’apporter des réactifs sélectivement à l’anode et/ou à la cathode, et séparés des flux d’électrolyte, permet une séparation ultérieure des produits de réaction aisée par rapport aux cellules existantes.
Un premier objetde la présente invention est une cellule d’électrolyse en 3D, sans membrane, comprenant :
- un corps solide (1) délimité par au moins 6 faces extérieures, dont au moins 4 faces latérales (A) et 2 faces planes (B), supérieure et inférieure, et
- une anode poreuse, et
- une cathode poreuse,
ledit corps solide (1) comprenant :
- une cavité centrale (2),
- deux logements, apical (3) et basal (4),
- au moins une cavité secondaire (2’),
- au moins un canal d’apport (5) d’une matière,
- deux canaux d’admission (6, 7) de deux flux d’électrolyte, et
- au moins un canal d’approvisionnement (8),
dans laquelle :
- ladite anode poreuse, et ladite cathode poreuse sont respectivement contenues dans lesdits logements apical (3) et basal (4),
- chaque canal d’admission (6) ou (7), s’étend respectivement de la cavité centrale (2) jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
les faces (A) sur lesquelles les deux canaux respectifs débouchent étant différentes et de préférence opposées l’une à l’autre,
- le au moins un canal d’apport (5) s’étend d’une au moins une cavité secondaire (2’), jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
- le au moins un canal d’approvisionnement (8), s’étend d’une au moins une cavité secondaire (2’), jusqu’aux logements apical (3) et/ou basal (4),
ledit au moins un canal d’apport (5) est apte à conduire une matière à partir de l’extérieur du corps solide (1) respectivement vers la au moins une cavité secondaire (2’),
les deux canaux d’admission (6, 7) sont aptes à conduire un électrolyte à partir de l’extérieur du corps solide (1) vers la cavité centrale (2),
ledit au moins un canal d’approvisionnement (8) est apte à conduire une matière depuis la au moins une cavité secondaire (2’) vers le logement apical (3) ou le logement basal (4) contenant respectivement l’ anode et la cathode.
Selon un mode de réalisation préféré,la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant :
- un corps solide (1) délimité par au moins 6 faces extérieures, dont au moins 4 faces latérales (A) et 2 faces planes (B), supérieure et inférieure, et
- une anode poreuse, et
- une cathode poreuse,
ledit corps solide (1) comprenant :
- une cavité centrale (2), délimitée par une surface latérale (C), formant interface avec le susdit corps solide (1), et par au moins deux arêtes (D), respectivement apicale et basale, formant les extrémités apicale et basale de la cavité centrale (2),
ladite cavité centrale (2) étant flanquée, de part et d’autre de ses arêtes (D), apicale et basale, de deux logements, apical (3) et basal (4),
- au moins une cavité secondaire (2’) sous forme de tore,
ladite au moins une cavité secondaire (2’) étant située au sein d’une partie (1’) du corps solide, ladite partie (1’) du corps solide entourant la cavité centrale (2), et étant délimitée par une surface latérale extérieure (E), formant interface avec le susdit corps solide (1),par une surface latérale intérieure (F) constituée par la surface latérale (C) de la cavité centrale (2),
et par deux surfaces (G), respectivement apicale et basale,
ladite au moins une cavité secondaire (2’) étant délimitée par une surface (H), formant interface avec la partie (1’) du corps solide,
ladite au moins une cavité secondaire (2’) entourant au moins partiellement la cavité centrale (2), sur une partie de sa surface latérale (C),
- lesdits logements apical (3) et basal (4) étant chacun délimité par une surface latérale (I), par au moins une arête (J), et par formant interface avec le susdit corps solide (1), une face plane (K),
l’arête (J) du logement apical (3) étant située dans le plan de la face plane (B) supérieure du corps solide (1), l’arête (J) du logement basal (4) étant située dans le plan de la face plane (B) inférieure du corps solide (1),
ladite face plane (K) étant parallèle aux deux faces planes (B), supérieure et inférieure, du corps solide (1) et formée par la surface (G) de la partie (1’) de la cavité secondaire et par une extrémité de la cavité secondaire (2),
la face plane (K) du logement apical (3) étant formée par la surface (G) apicale de la partie (1’) du corps solide et par l’extrémité apicale de la cavité centrale (2),
la face plane (K) du logement basal (4) étant formée par la surface (G) basale de la partie (1’) du corps solide et par l’extrémité basale de la cavité centrale (2),
- au moins un canal d’apport (5) d’une matière,
- deux canaux d’admission (6, 7) de deux flux d’électrolyte, et
- au moins un canal d’approvisionnement (8),
dans laquelle :
- ladite anode poreuse, et ladite cathode poreuse sont respectivement contenues dans lesdits logements apical (3) et basal (4),
- chaque canal d’admission (6) ou (7), s’étend respectivement de part et d’autre de la cavité centrale (2), à partir d’une zone de ladite surface (C), jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
les faces (A) sur lesquelles les deux canaux respectifs débouchent étant différentes et de préférence opposées l’une à l’autre,
lesdits canaux d’admission (6,7) formant deux entrées de la cellule,
- le au moins un canal d’apport (5) s’étend d’une zone latérale extérieure (H’’) de la surface (H) de la au moins une cavité secondaire (2’), jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
le au moins un canal d’apport (5) formant une au moins troisième entrée de la cellule,
- le au moins un canal d’approvisionnement (8), part d’une zone de la surface apicale (H’) et/ou d’une zone de la surface basale (H’) de la surface H de la cavité secondaire (2’), et débouche sur lesdits logements apical (3) et/ou basal (4), par les faces planes (K) desdits logements, et par la surface apicale (G) et/ou basale (G) de la partie (1’) du corps solide,
ledit au moins un canal d’apport (5) est apte à conduire une matière à partir de l’extérieur du corps solide (1) respectivement vers la au moins une cavité secondaire (2’),
les deux canaux d’admission (6, 7) sont aptes à conduire un électrolyte à partir de l’extérieur du corps solide (1) vers la cavité centrale (2),
ledit au moins un canal d’approvisionnement (8) est apte à conduire une matière depuis la au moins une cavité secondaire (2’) vers le logement apical (3) ou le logement basal (4).
Ainsi, la cellule d’électrolyse selon la présente Invention comprend un corps solide comprenant deux canaux d’admission de deux flux d’électrolyte depuis l’extérieur de la cellule vers une cavité centrale. Le canaux d’admission sont positionnés de façon à permettre au deux flux de se rencontrer frontalement dans la cavité centrale, provoquant ainsi un changement de direction des flux, ce qui permet aux flux d’atteindre la cathode et l’anode selon une direction substantiellement perpendiculaire par rapport à celles-ci.
Le corps solide comprend également un ou plusieurs canaux d’apport d’une matière depuis l’extérieur de la cellule vers au moins une cavité secondaire. Des canaux d’approvisionnement reliant la au moins une cavité secondaire aux logements permettent à la, ou aux matière(s) apportée(s) par le ou les canaux d’apport d’atteindre la cathode et/ou l’anode.
Le corps solide (1) peut comprendre une cavité secondaire (2’), ou des cavités secondaires (2’), reliée(s) uniquement à la cathode, par au moins un canal d’approvisionnement (8), permettant un apport sélectif de matières à ladite cathode,
ou, le corps solide (1) peut comprendre une cavité secondaire (2’), ou des cavités secondaires (2’), reliée(s) uniquement à l’anode, par au moins canal d’approvisionnement (8), permettant un apport sélectif de matières à ladite anode,
ou, le corps solide (1) peut comprendre une cavité secondaire (2’), ou des cavités secondaires (2’) reliée(s) à la fois à la cathode et à l’anode, par au moins canal d’approvisionnement (8), permettant un apport de matières à ladite cathode et à ladite anode.
Le «corps solide (1)» est le composant de la cellule d’électrolyse dans lequel les différents cavités, orifices et canaux sont contenus. Le corps solide permet de fixer les positions relatives dans l’espace, desdits cavités, orifices et canaux.
Le corps solide (1) est un corps en 3 dimensions, possédant des axes X, Y et Z, tels que définis dans la , représentant un corps solide selon un mode de réalisation particulier de la présente invention.
Les 2 faces planes (B), supérieure et inférieure, du corps solide sont ainsi positionnées dans les axes X et Y, tandis que les faces latérales (A) sont positionnées entre les 2 deux faces planes (B), supérieure et inférieure, notamment le long de l’axe Z. L’axe Z relie notamment les centres respectifs de la face plane (B) supérieure et de la face plane inférieure.
Le corps solide est constitué d’un matériau non-conducteur, isolant par rapport à un courant électrique appliqué à la cellule d’électrolyse lors de son utilisation.
La «partie (1’) du corps solide» est la partie du corps solide qui contient la au moins une cavité secondaire (2’). La partie (1’) du corps solide entoure la cavité centrale (2), sur toute la surface latérale (C) de ladite cavité centrale (2).
La «cavité centrale (2)» est une cavité positionnée au sein du corps solide, et dont le centre géométrique est notamment localisé au centre géométrique du corps solide (1). La cavité centrale (2) sert à recevoir les flux d’électrolyte, depuis l’extérieur de la cellule.
Par «centre géométrique du corps solide» on entend la moyenne des positions de l’ensemble des faces planes (B) et des faces latérales (A) délimitant le corps solide (1).
Par «centre géométrique de la cavité centrale» on entend la moyenne des positions de l’ensemble de la surface latérale (C) et des extrémités apicale et basale de la cavité centrale (2).
Par «arête apicale de la cavité centrale» on entend une arête qui se trouve au plus près de la face (B) supérieure du corps solide, selon l’axe Z.
L’extrémité apicale de la cavité centrale (2) est délimitée par l’arête apicale (D), ou par les arêtes apicales (D), les arrête(s) apicale(s) étant parallèle(s) aux faces planes (B) du corps solide,
ladite extrémité apicale de la cavité centrale (2) et la surface (G) apicale de la partie (1’) du corps solide, forment la face plane (K) du logement apical (3).
Par «arête basale de la cavité centrale» on entend une arête qui se trouve au plus près de la face (B) inférieure du corps solide, selon l’axe Z.
L’extrémité basale de la cavité centrale (2) est délimitée par l’arête basale (D), ou par les arêtes basales (D), les arrête(s) basale(s) étant parallèle(s) aux faces planes (B) du corps solide,
ladite extrémité basale de la cavité centrale (2) et la surface (G) basale de la partie (1’) du corps solide, forment la face plane (K) du logement basal (4).
Par «surface latérale de la cavité centrale» on entend une surface (C) de la cavité, formant interface avec le corps solide, ladite surface (C) étant plus précisément constituée de la surface latérale intérieure (F) de la partie (1’) du corps solide. Ladite surface (C) s’étend de la au moins une arête (D) apicale à au moins une arête (D) basale de ladite cavité centrale, le long de l’axe Z du corps solide (2).
Une «cavité secondaire (2’)» est une cavité positionnée au sein du corps solide, et plus précisément au sein d’une partie (1’) du corps solide, entourant la cavité centrale (2).
La au moins une cavité secondaire (2’) sert à recevoir les flux de matière, depuis l’extérieur de la cellule.
Par « forme detore» dans le cadre de la au moins une cavité secondaire (2’), il faut entendre que la au moins une cavité secondaire (2’) est soit :
- sous forme de tore à section ovale ou circulaire (Figure 15A et16C) entier ou partiel, notamment sous forme de demi-tore à section circulaire (Figure 15A), présentant optionnellement des angles (Figure 15B),
ou
- sous forme de tore à section rectangulaire ou carré (Figure 16B et16D) entier ou partiel, notamment sous forme de demi-tore à section rectangulaire ou carré, présentant optionnellement des angles.
Un tore, vu de dessus selon l’axe Z, a une forme circulaire.
Par « présentant des angles », il faut comprendre que la forme circulaire, vu de dessus selon l’axe Z, présente des angles. Un tore, vu de dessus selon l’axe Z, peut par exemple être sous la forme d’un hexagone.
Dans le cas d’une cavité secondaire (2’) sous forme de tore à section rectangulaire ou carré, la surface (H) est constituée de plusieurs surfaces distinctes (Figure 16B), à savoir :
- une surface latérale extérieure (H’’), une surface latérale intérieure (H’’’), et
- deux surfaces planes (H’), apicale et basale.
La surface latérale intérieure (H’’’) de la cavité secondaire (2’) est la surface latérale la plus près du centre géométrique de la cavité secondaire.
La surface latérale extérieure (H’’) de la cavité secondaire (2’) est la surface latérale la plus éloignée du centre géométrique de la cavité secondaire.
La surface apicale (H’) de la cavité secondaire (2’) est la surface la plus près du logement apical (3).
La surface basale (H’) de la cavité secondaire (2’) est la surface la plus près du logement basal (3).
Par «centre géométrique de la cavité secondaire» on entend la moyenne des positions de l’ensemble de la surface (H) de la cavité secondaire (2’).
Dans le cas d’une cavité secondaire sous forme de tore à section ovale ou circulaire, on distingue également
- une surface latérale extérieure (H’’), une surface latérale intérieure (H’’’), et
- deux surfaces planes (H’), apicale et basale.
Dans ce contexte, dans le cas d’une cavité secondaire sous forme de tore à section circulaire :
La «surface latérale extérieure H’’» correspond à l’intégration des circonférences latérales extérieures pour chaque section du tore (Figure 16E), chacune des circonférences latérales extérieures étant délimitée, pour chaque section donnée, par deux points sur la surface H, les deux points sur la surface H étant situé à mi-chemin entre l’intersection de l’axe X’Y’, avec la circonférence de la section, et les deux intersections respectives de l’axe Z’ avec la circonférence de la section,
L’axe Z’ étant l’axe, dans la direction Z, depuis le centre de la section,
l’axe X’Y’ étant l’axe, selon la direction XY depuis le centre de la section et depuis le centre géométrique de la cavité secondaire (2’).
La «surface latérale intérieure H’’’» correspond à l’intégration des circonférences latérales intérieures pour chaque section du tore, chacune des circonférences latérales intérieures étant délimitée, pour chaque section donnée, par deux points sur la surface H, les deux points sur la surface H étant situé à mi-chemin entre l’intersection de l’axe X’Y’, avec la circonférence de la section, et les deux intersections respectives de l’axe Z’ avec la circonférence de la section,
L’axe Z’ étant l’axe, dans la direction Z, depuis le centre de la section,
l’axe X’Y’ étant l’axe, selon la direction XY depuis le centre de la section et vers le centre géométrique de la cavité secondaire (2’).
La surface (H’) apicale de la cavité secondaire (2’) correspond à la surface apicale situé entre la surface latérale extérieure (H’’) et la surface latérale intérieure (H’’’), dans la direction du logement apical (3).
La surface (H’) basale de la cavité secondaire (2’) correspond à la surface apicale situé entre la surface latérale extérieure (H’’) et la surface latérale intérieure (H’’’), dans la direction du logement basal (4).
Dans le cas d’une cavité secondaire sous forme de tore à section ovale, les surfaces H’, H’’ et H’’’ sont telles que définies ci-dessus pour une cavité secondaire sous forme de tore à section circulaire.
Par «une zone latérale extérieure de la surface (H)» on entend une zone sur la surface latérale extérieure (H’’).
Par «une zone apicale et/ou basale de la surface (H)» on entend une zone sur la surface plane (H’) apicale et/ou basale respectivement,
«une zone apicale de la surface (H)» correspond à une zone sur la surface (H’) apicale,
et «une zone basale de la surface (H)» correspond à une zone sur la surface (H’) basale.
Par «surface apicale de la partie (1’) du corps solide» on entend la surface (G) apicale de la partie (1’) du corps solide, ladite surface (G) apicale formant, avec l’extrémité apicale de la cavité centrale (2), la face plane (K) du logement apical (3).
Par «surface basale de la partie (1’) du corps solide» on entend la surface (G) basale de la partie (1’) du corps solide, ladite surface (G) basale formant, avec l’extrémité basale de la cavité centrale (2), la face plane (K) du logement basal (3).
Par «logement» on entend un espace vide contenu dans le corps solide (1). Les deux logements, apical (3) et basal (4) sont ouverts sur l’extérieur dudit corps solide (1), sur l’une des faces planes (B), respectivement supérieure et inférieure dudit corps solide (1), et s’étendent dans la cellule, selon l’axe Z, jusqu’à la surface (G) apicale et basale de la partie (1’) du corps solide respectivement.
Le logement destiné à recevoir la cathode est également appelé «logement cathodique», et le logement destiné à recevoir l’anode est également appelé «logement anodique». Au sens de la présente invention, le logement cathodique correspond au logement apical (3), et le logement anodique correspond au logement basal (4).
Les logements (3) et (4) peuvent avoir des formes diverses, selon la forme d’électrode souhaitée.
Les logements (3) et (4) ont notamment une forme cylindrique, pouvant accueillir une électrode substantiellement cylindrique, mais peuvent également avoir, par exemple :
- une forme parallélépipédique, notamment cubique, pouvant accueillir une électrode substantiellement parallélépipédique, ou substantiellement cubique, ou
- une forme de prisme hexagonal, pouvant accueillir une électrode substantiellement sous la forme d’un prisme hexagonal.
De manière préférée, les logements (3) et (4), la cavité centrale (2) et la partie (1’) du corps solide, ont des formes géométriques compatibles entre elles, dans le sens où si la cavité centrale est cylindrique, les logements sont préférentiellement également sous forme cylindrique, et la partie (1’) du corps solide est préférentiellement sous la forme de tore à section carré ou rectangulaire.
Par «anodeporeuse » on entend une anode qui présente une porosité ouverte permettant le passage du ou des flux de matière, s’il y en a, et d’électrolyte, depuis l’intérieur du corps solide vers l’extérieur de la cellule d’électrolyse.
Par «cathode poreuse» on entend une cathode qui présente une porosité ouverte permettant le passage du ou des flux de matière, s’il y en a, et d’électrolyte, depuis l’intérieur du corps solide vers l’extérieur de la cellule d’électrolyse.
Par «canal d’admission» on entend un canal destiné à apporter le flux d’électrolyte depuis l’extérieur de la cellule vers la cavité centrale (2).
Le corps solide (1) de l’invention comprend deux canaux d’admission.
Par «canal d’apport» on entend un canal destiné à apporter le flux de matière depuis l’extérieur de la cellule vers au moins une cavité secondaire (2’).
Les matières pouvant être apportées par les canaux d’apport (5) sont notamment des réactifs. Les réactifs peuvent être sous la forme d’un gaz, comme par exemple le CO2, pouvant notamment être transformé en CO à la cathode, ou alors sous la forme d’un liquide, comme par exemple un réactif en solution, ou un réactif pur liquide, comme par exemple de l’eau, pouvant être transformée en H2ou en O2.
La matière apportée peut également comprendre un catalyseurs et/ou un promoteur, comme par exemple des sels de iode ou des acides de Lewis.
La matière apportée par les canaux d’apport peut également être une matière ne participant pas comme réactif dans la réaction d’électrolyse. On peut citer, à titre d’exemple, un liquide de refroidissement ou un fluide caloporteur, permettant respectivement de refroidir ou de chauffer les électrodes selon les besoins. L’utilisation d’un liquide de refroidissement permet de maitriser une réaction exothermique, tandis-que l’utilisation d’un liquide caloporteur permet d’augmenter la cinétique de la réaction mise en œuvre. Il est également possible d’apporter un gaz inerte, comme par exemple de l’azote, afin de pouvoir par exemple effectuer des réactions sensibles à l’air.
Afin d’éviter que les matières ne participant pas comme réactif dans la réaction d’électrolyse pénètrent dans l’électrode, il est possible d’équiper la cellule avec une pièce dédiée comme une pièce selon la .
L’utilisation de plusieurs cavités secondaires 2’ permet en même temps l’apport d’un réactif et l’apport d’une matière ne participant pas comme réactif dans la réaction d’électrolyse.
Par «canal d’approvisionnement» on entend un canal destiné à apporter le flux de matière depuis une cavité secondaire (2’) vers un logement apical (3) ou basal (4). Ainsi, un canal d’approvisionnement est le lien entre une cavité secondaire et les électrodes.
Les matières sont donc transportées, depuis l’extérieur de la cellule, vers une cavité secondaire par le biais d’un canal d’apport, puis depuis ladite cavité secondaire vers les électrodes.
Le corps solide peut comprendre plusieurs types d’orifices, dont :
- des orifices (81) permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide (1).
Un orifice (81) fait partie d’un canal d’admission (6) ou (7) et correspond à une ouverture dans l’une des faces latérales (A) du corps solide (2) par le biais dudit canal d’admission (6) ou (7).
- des orifices (82) permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale (2).
Un orifice (82) fait partie d’un canal d’admission 6) ou (7) et correspond à une ouverture dans la surface latérale (C) de la cavité centrale (2), par le biais dudit canal d’admission 6) ou (7).
- un ou plusieurs orifices (83) permettant l’entrée de ou des flux de matière dans le corps solide (2).
Un orifice (83) fait partie d’un canal d’apport (5) et correspond à une ouverture dans l’une des faces latérales (A) du corps solide (2) par le biais dudit canal d’apport (5).
- un ou plusieurs orifices (84) permettant l’entrée de ou des flux de matière dans la au moins une cavité secondaire (2’).
Un orifice (84) fait partie d’un canal d’apport (5) et correspond à une ouverture dans l’une des faces latérales extérieures (H’’’) de ladite au moins une cavité secondaire (2’) par le biais dudit canal d’apport (5).
- un ou plusieurs orifices (85) permettant la sortie de, ou des flux de matière d’une au moins une cavité secondaire (2’).
Un orifice (85) fait partie d’un canal d’approvisionnement (8) et correspond à une ouverture dans l’une des surfaces apicale ou basale (H’) de ladite au moins une cavité secondaire (2’) par le biais dudit canal d’approvisionnement (8).
- un ou plusieurs orifices (86) permettant l’entrée de ou des flux de matière dans le logement apical (3) ou le logement basal (4), depuis une cavité secondaire (2’).
Un orifice (86) fait partie d’un canal d’approvisionnement (8) et correspond à une ouverture dans l’une des surfaces apicale ou basale (G) de la partie (1’) du corps solide, par le biais dudit canal d’approvisionnement (8).
Les orifices (81) et (83) sont notamment reliés à des moyens de transport des flux de matière et des flux d’électrolyte et sont notamment des tubes ou des tuyaux. Ces moyens de transport sont reliés de façon étanche et avantageusement réversible au corps solide (1) par des moyens de fixation.
Les orifices (81) et (83) peuvent optionnellement, mais pas nécessairement, être équipés de protubérances, afin, entre autres, de faciliter la reliaison lesdits moyens de transport au corps solide.
Lors de l’utilisation de la cellule d’électrolyse selon la présente invention, les deux flux d’électrolyte, apportés par les deux canaux d’admission (6) et (7), se rencontrent, frontalement, dans la cavité centrale (2). La collision des deux flux provoque alors un changement de direction des desdits deux flux.
Une partie du premier flux se dirige vers l’anode, tandis que l’autre partie se dirige vers la cathode. De même, une partie du deuxième flux se dirige vers l’anode, tandis que l’autre partie se dirige vers la cathode. Les deux parties se dirigeant vers l’anode peuvent, au moins partiellement se mélanger entre elles, tout comme les deux parties se dirigeant vers la cathode. Le principe générale de ces phénomène a été étudié par Štigler et al (The Fluid Flow in the T-Junction. The Comparison of the Numerical Modeling and Piv Measurement, Procedia Engineering 39 ( 2012 ) p. 19-27).
Cette séparation des deux flux (appelé «Split» en anglais), accompagnée d’un changement de direction, permet au flux d’électrolyte d’atteindre les électrodes selon une direction substantiellement perpendiculaire aux électrodes. Ce qui facilite la traversée desdits flux à travers les électrodes poreuses.
Le débit des flux vers l’extérieur de la cellule, par les électrodes poreuses, empêche les produits d’électrolyse de migrer dans la cavité centrale, lesdits produits d’électrolyse étant « entrainés » vers l’extérieur de la cellule pour être récupérés. Le flux récupéré depuis la cathode est appelé le « catholyte », et le flux récupéré depuis l’anode est appelé « anolyte ».
Par «catholyte» on entend le flux d’électrolyte après sa traversée de la cathode depuis l’intérieur du corps solide (1) vers l’extérieur de la cellule d’électrolyse. Il est entendu que le catholyte comprend de l’électrolyte, des produits de réaction, et éventuellement les réactifs et matières en excès, n’ayant pas subi de réaction.
Par «anolyte» on entend le flux d’électrolyte après sa traversée de l’anode depuis l’intérieur du corps solide (1) vers l’extérieur de la cellule d’électrolyse. Il est entendu que l’anolyte comprend de l’électrolyte, des produits de réaction, et éventuellement les réactifs et matières en excès.
Les Inventeurs ont trouvé de façon inattendue que la cellule d’électrolyse selon la présente invention, dont la structure est telle qu’elle engendre la création d’un « split » de l’électrolyte, et permet un apport de matière/réactif séparément de l’électrolyte, permet d’éviter le mélange des produits formés à la cathode avec les produits formés à l’anode, malgré l’absence de membrane, tout en assurant la conductivité électrique de la cellule.
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle le corps solide (1) comporte un point de symétrie i.
Selon ce mode de réalisation, le corps solide (1) possède un point de symétrie i, qui se situe au centre géométrique du corps solide, et plus précisément au centre de la cavité centrale, comme indiqué dans la .
Selon un autre mode de réalisation préféré, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ledit corps solide (1) est sous la forme d’un parallélépipède, et est notamment sous la forme d’un cube,
ledit corps solide (1) étant délimité par 6 faces extérieures, dont 4 faces latérales (A) et 2 faces planes (B), supérieure et inférieure.
Un corps solide sous forme de parallélépipède est avantageux car cette forme permet un placement optimal du corps solide, et de ce fait de la cellule d’électrolyse, également sous forme de parallélépipède, au sein d’un système de réaction.
Par exemple, dans le cas où plusieurs cellules sont utilisées en série, ou en parallèle, cette forme assure une utilisation optimale de l’espace.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ladite cavité centrale (2) comporte au moins un axe de symétrie.
Selon ce mode de réalisation, la cavité centrale présente au moins un axe de symétrie, à la fois par rapport à la forme géométrique de la cavité, mais également par rapport aux orifices (82), qui sont notamment placés l’une en face de l’autre.
La cavité centrale présente dans la cellule d’électrolyse selon la présente invention possède une géométrie permettant une séparation des flux d’électrolyte, ou « split », efficace et homogène.
Selon un autre mode de réalisation préférée, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ladite cavité centrale (2) est substantiellement sous une forme cylindrique, et est notamment sous forme de cylindre,
dans laquelle la surface latérale (C) est constituée d’une face latérale, formant interface avec le corps solide, et par deux arêtes (D), respectivement apicale et basale, formant les extrémités apicale et basale de la cavité centrale (2).
Ce mode de réalisation est schématisé dans la Figure 15A. Les deux arêtes (D), apicale et basale, forment chacune un cercle, dont les circonférences délimitent les extrémités, respectivement apicale et basale, de la cavité centrale.
La forme cylindrique de la cavité centrale correspond à un mode de réalisation avantageux. En effet, la surface latérale du cylindre est uniforme et dépourvue d’aspérité. L’effet technique ainsi obtenu est une absence, ou du moins une quasi-absence de phénomènes de turbulence de l’électrolyte au sein de la cavité centrale, ce qui pourrait perturber les flux, et donc les réactions d’électrolyse.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ladite cavité centrale (2) est sous la forme d’un prisme hexagonal,
dans laquelle la surface latérale (C) est constituée de six faces latérales, formant interface avec le corps solide, et par six arêtes (D) apicales et six arêtes (D) basales, formant les extrémités apicale et basale de la cavité centrale (2).
Dans cette configuration, les extrémités apicale et basale de la cavité centrale (2) ont une forme géométrique hexagonale.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comportant 4 cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant notamment sous la forme de demi-tore à section ovale ou circulaire,
deux desdites cavités secondaires étant positionnées plus près de la face plane (K) du logement apical (3) que de la face plane (K) du logement basal (4),
et les deux autres cavités secondaires étant positionnées plus près de la face plane (K) du logement basal (4) que de la face plane (K) du logement apical (3).
Dans ce mode de réalisation, chaque cavité secondaire est alimentée par un canal d’apport (5), permettant un apport sélectif de matières vers la cathode et vers l’anode, par le biais de canaux d’approvisionnement (8), reliant chaque cavité secondaire soit à la cathode, soit à l’anode.
Ce mode de réalisation assure un apport homogène des matières aux électrodes.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comportant 2 cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant notamment sous la forme de tore à section ovale ou circulaire,
un desdites cavités secondaires étant positionnée plus près de la face plane (K) du logement apical (3) que de la face plane (K) du logement basal (4),
et l’autre cavité secondaire étant positionnée plus près de la face plane (K) du logement basal (4) que de la face plane (K) du logement apical (3).
Dans ce mode de réalisation, chaque cavité secondaire est alimentée par un canal d’apport (5) ou par deux canaux d’apport (5), permettant un apport sélectif de matières vers la cathode et vers l’anode, par le biais de canaux d’approvisionnement (8), reliant chaque cavité secondaire soit à la cathode, soit à l’anode.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comportant 1 cavité secondaire (2’), notamment sous la forme de tore à section ovale ou circulaire,
ladite cavité secondaire étant positionnée à équidistance entre les faces planes (K) du logement apical (3) et du logement basal (4).
Dans ce mode de réalisation, l’unique cavité secondaire (2’) permet d’alimenter en matière soit la cathode, soit l’anode, par le biais de canaux d’approvisionnement (8), reliant la cavité secondaire soit au logement apical (3), ou au logement basal (4), respectivement.
Dans ce mode de réalisation, Il est aussi possible d’alimenter les deux électrodes, la cavité secondaire (2’) étant, dans ce cas, équipée de canaux d’approvisionnement (8), reliant la cavité secondaire à la fois au logement apical (3), et au logement basal (4).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle le corps solide (1) comprend en outre au moins un trou de montage (9), notamment au moins un trou taraudé, dont l’une des extrémités est située sur l’une des faces planes (B) dudit corps solide (1), en particulier comprend 8 trous de montage x à y, dont les extrémités sont situées sur chacune des deux faces planes (B),
notamment dans laquelle lesdits trous de montage traversent le corps solide (1).
Les trous de montage servent à fixer des pièces détachées, à savoir des joints d’étanchéité et des plaques de fermeture, sur le corps solide (1).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant en outre deux joints d’étanchéité (10) plans délimités par deux faces planes (L), lesdits deux joints d’étanchéité (10) étant apposés à l’extérieur du corps solide (1), respectivement sur les deux faces planes (B),
les faces planes (L) desdits deux joints d’étanchéité (10) ayant substantiellement la même forme et dimensions que les faces planes (B) du corps solide (1),
lesdits deux joints d’étanchéité (10) étant transpercés de trous (9’) et (3’), superposables aux trous (9) et au logement (3) ou (4) du corps solide (1).
Par «joints d’étanchéité (10) plans» on entend des joints d’étanchéité 2D, substantiellement dépourvus d’épaisseur. Par « substantiellement dépourvus d’épaisseur » on entend que l’épaisseur est inférieure ou égale à 1,0 mm.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant en outre deux joints d’étanchéité (10) ayant une épaisseur comprise de 0,2 à 1,0 mm.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant en outre deux plaques de fermeture (11) délimités par deux faces planes (M) et par au moins 4 faces latérales (N) respectivement, lesdites deux plaques de fermeture (11) étant apposées à l’extérieur du corps solide (1), respectivement sur les deux joints d’étanchéité (10),
les faces planes (M) desdites deux plaques de fermeture (11) ayant substantiellement la même forme et dimensions que les faces planes (B) du corps solide (1),
lesdites deux plaques de fermeture (11) étant transpercées de trous (9’’), superposables aux trous (9) du corps solide (1), et d’un trou (3’’) au centre, communiquant avec le logement (3) ou (4) du corps solide (1).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant en outre deux collecteurs de courant (12), notamment intégrés aux plaques de fermeture.
Dans ce mode de réalisation, chacun des collecteurs de courant est intégré dans une plaque de fermeture, comme exemplifié et représenté dans la .
Les collecteurs de courant servent de conduction entre la source de courant et les électrodes. Ils sont constitués d’une matière conductrice, notamment métallique, comme par exemple de cuivre, d’acier inoxydable, de nickel, de titane ou de tantale.
Selon un autre mode de réalisation particulier, les collecteurs de courant (12), peuvent être intégrés au corps solide (1).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle le corps solide (1), les 2 joints d’étanchéité (10), et les deux plaques de fermeture (11) sont fixés entre eux par des moyens de fixation, notamment des boulons, par les au moins un trou de montage (9) du corps solide (1) et par les trous (9’) et (9’’) des deux joints d’étanchéité (10) et des deux plaques de fermeture (11) respectivement.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle les canaux d’admission (6) et (7) partent respectivement de la cavité centrale (2), l’un en face de l’autre, et se trouvent substantiellement à la même distance de l’extrémité apicale et de l’extrémité basale de ladite cavité centrale (2).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle le au moins un canal d’apport (5), se divise en deux branches,
ladite division se situe à l’intérieur du corps solide, entre la surface latérale (H’’) de la au moins une cavité secondaire (2’), à partir de laquelle ledit au moins un canal d’apport (5) s’étend, et la face latérale (A) du corps solide (1) sur laquelle ledit au moins un canal d’apport (5) débouche,
les deux branches s’étendent à partir de deux zones différentes de la surface latérale (H’’) d’une même cavité secondaire (2’), ou
s’étendent à partir de deux zones de la surface latérale (H’’) de deux cavités secondaires (2) différentes, les deux cavités secondaires (2) différentes (2’) étant positionnées à la même distance de la face plane (K) du logement apical (3), et de la face plane (K) du logement basal (4).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant deux canaux d’apport (5), lesdits deux canaux d’apport (5) se divisent notamment chacun en 2 branches qui s’étendent chacune à partir de la surface latérale (H’’) de la au moins une cavité secondaire (2’).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant quatre canaux d’apport (5),
deux desdits canaux d’apport partant respectivement de deux cavités secondaires (2’), sous forme de demi tore, positionnées plus près de la face plane (K) du logement apical (3) que de la face plane (K) du logement basal (4),
et le deux autres canaux d’apport partant respectivement de deux cavités secondaires (2’), sous forme de demi tore, positionnées plus près de la face plane (K) du logement apical (3) que de la face plane (K) du logement basal (4),
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ladite cellule d’électrolyse est reliée à des moyens d’introduction de deux flux d’électrolyte en sens opposé, susceptibles de circuler depuis l’extérieur de la cellule, vers la cavité centrale (2), par lesdits canaux d’admission (6, 7).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ladite cellule d’électrolyse est reliée à au moins un moyen d’introduction d’au moins un flux de matière, susceptible de circuler depuis l’extérieur de la cellule, vers l’anode et/ou la cathode, par ledit au moins un canal d’apport (5).
La cellule d’électrolyse selon la présente invention est utilisable à la fois dans la mise en œuvre de réactions cathodiques, et de réactions anodiques, ou une combinaison des deux.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle l’anode poreuse est constitué d’un mélange de :
- noir de carbone,
- un polymère ionique,
- éventuellement un catalyseur, et
- optionnellement du polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle la cathode poreuse est constitué d’un mélange de :
- noir de carbone,
- un polymère ionique,
- éventuellement un catalyseur, et
- optionnellement du polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Le «noir de carbone» constitue la matrice de l’électrode. Il permet d’immobiliser les autres constituants de l’électrode. Le noir de carbone sert également de conducteur électrique. Parmi les produits utilisables, on peut citer, à titre d’exemple, le VULCAN®XC72R de la société Cabot, le graphène, le graphite, et les nanotubes de carbone.
Le « polymère ionique », ou « ionomère », assure la conductivité de l’électrode.
Il s’agit d’un polymère comportant des sites ioniques, comme par exemple des groupements carboxylate, ou sulfonate.
Parmi les produits utilisables, on peut citer, à titre d’exemple, le Nafion®ou le sustainion®.
Structure générale de Nafion®
Structure générale de sustainion®
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle la cathode poreuse et l‘anode poreuse ont une porosité théorique Ptcomprise de 60 à 80%, notamment de 70 à 75%, en particulier d’environ 73%.
La porosité théorique est déterminée selon la formule suivante :
Dans laquelle :
Ptreprésente la porosité théorique exprimé en %,
Vpreprésente le volume des pores,
Vtreprésente le volume totale de l’électrode,
Vmreprésente le volume de matière solide constituant l’électrode,
ρcstreprésente la masse volumique de la, ou des, matière(s) solide(s) constituant l’électrode,
mcstreprésente la masse de la, ou des, matière(s) solide(s) utilisée(s) pour former l’électrode.
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle la distance entre la cathode et l’anode est comprise de 1 à 6 mm, ou est inférieure à 1 mm, notamment comprise de 0,1 à 1 mm.
On entend par «distance entre la cathode et l’anode» la distance selon l’axe Z, représentée par la séparation des logements apical (3) et basal (4) par la cavité centrale (2).
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle la cathode et/ou l’anode ne sont que partiellement en contact avec l’électrolyte.
En d’autres termes, les électrodes ne sont que partiellement immergées dans l’électrolyte.
Lors du fonctionnement de la cellule d’électrolyse selon l’invention, c’est-à-dire lorsque la matière est apportée aux électrodes, un film de matière, apportée à la cathode et/ou à l’anode, notamment un gaz, est présent au sein de l’électrode. Ce film, situé entre la face latérale du logement et l’électrolyte, garantit la saturation de l’électrode en réactif et empêche le contact entre l’électrolyte et les collecteurs de courant, limitant ainsi la formation non-sélective des produits d’électrolyse.
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans lequel la cellule est en outre équipée d’un dispositif, sous forme d’un anneau,
ledit dispositif étant équipé de protubérances (O), permettant de boucher les orifices 85 présents sur la partie 1’ de la cavité centrale,
ledit dispositif étant équipé d’encoches (P), permettant la circulation de matière entre deux cavités secondaires,
ledit dispositif étant apposé entre la surface (G) de la partie (1’) de la cavité secondaire et la face plane (K) du logement apical ou basal.
Dans ce mode de réalisation, la matière apportée dans la cavité secondaire ne peut pas atteindre les électrodes, mais circule dans deux cavités secondaires. Les deux cavités secondaires sont sous la forme de demi-tore, et sont toutes les deux positionnées plus près de la face plane (K) du logement apical (3) que de la face plane (K) du logement basal (4), ou sont toutes les deux positionnées plus près de la face plane (K) du logement basal (4) que de la face plane (K) du logement apical (3).
Ce mode de réalisation permet de faire circuler un liquide de refroidissement ou un liquide caloporteur, à proximité des électrodes, sans pénétration desdits liquides dans les électrodes, permettant ainsi de maitriser la cinétique d’une réaction.
Le catalyseur contenu au sein de l’électrode est choisi en fonction de la réaction à effectuer, le catalyseur étant apte à catalyser ladite réaction à effectuer. Parmi les catalyseurs, pouvant être utiliser au sein de la cathode, et/ou au sein de l’anode, on peut citer :
- Les catalyseurs hétérogènes, dont par exemple les catalyseurs métalliques à base de Pt, Pd, Ru, Au, Ag, Cu, Co, Mo, Mn, W, Ni, Fe, MoS2, WS2, TIO, ZnS ou FeS.
- Les catalyseurs homogènesdont par exemple :
les Phtalocyanine de métaux de transition (Fe, Co, Cu, Ni, Ag, Au, Mo, Mn), notamment le phtalocyanine de cobalt,
les porphyrines de métaux de transition,
les quaterpyridines de métaux de transition.
- Les catalyseurs polymériquesdont par exemple :
le polyvinyl pyridine de métaux de transition(Fe, Co, Cu, Ni, Ag, Au, Mo, Mn),
les COFs de porphyrine et de phtalocyanine de métaux de transition,
le nitrure de carbone de métaux de transition.
Le polytétrafluoroéthylène, notamment de la marque Teflon®, permet d’ajuster l’hydrophobicité de l’électrode. Il joue également un rôle mécanique de renfort de la structure de l’électrode, dans la mesure où ce constituant permet de maintenir les particules de noir de carbone entre elles.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle le corps solide (1) est constitué de d’un matériau choisi parmi
- le poly(hexaméthylène adipamide,
- un polymère acrylique ou métacrylique, en particulier une résine photo-polymérisable telle que le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), ou des polymères issus d’acrylate, d’uréthane diméthacrylate ou du Bisphénol A diméthylacrylate,
- le polyétheréthercétone (PEEK),
- le polytétrafluoroéthylène (PTFE),
- des matériaux composites non conducteurs tels que des matériaux céramique, ou des mélanges de fibre de verre et d’une résine.
Il est entendu que le matériau constituant le corps solide (1), forme les parties solides du corps. Les différents orifices, canaux et cavités contenus dans le corps solide sont dépourvus dudit matériau, mais sont délimités, du moins partiellement par ledit matériau.
Le poly(hexaméthylène adipamide est un polymère de structure générale [NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)4−CO]n, fabriqué à partir de l’hexaméthylènediamine et de l’acide adipique. Le produit est notamment commercialisé sous la marque Nylon®.
Le polyétheréthercétone, également appelé PEEK (PolyEtherEtherKetone) est un polymère appartenant à la famille des polyaryléthercétones.
Le polytétrafluoroéthylène est un polymère de structure générale (CF2CF2)n, fabriqué à partir de monomères de tétrafluoroéthylène. Le produit est notamment commercialisé sous la marque Teflon®.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle ledit corps solide (1) est sous la forme d’un parallélépipède, et est notamment sous la forme d’un cube,
et/ou
dans laquelle la cavité centrale (2) est substantiellement sous une forme cylindrique, et est notamment sous forme de cylindre, ou est sous la forme d’un prisme hexagonal.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comportant quatre cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant notamment sous la forme de demi-tore à section ovale ou circulaire, ou comportant deux cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant notamment sous la forme de tore à section ovale ou circulaire,
ou comportant une cavité secondaire (2’), notamment sous la forme de tore à section ovale ou circulaire.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant :
- une cavité centrale (2) sous forme de cylindre,
- quatre cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant sous la forme de demi-tore à section ovale ou circulaire,
deux desdites quatre cavités secondaires étant relié au logement (4) apical par un canal d’approvisionnement (8), et deux desdites quatre cavités secondaires étant relié au logement (3) basal par un canal d’approvisionnement (8),
- 4 canaux d’apport (5), chaque canal d’apport s’étend à partir d’une des quatre cavités secondaires (2’),
- deux canaux d’admission (6) et (7), lesdits canaux d’admission partent respectivement de la cavité centrale (2), l’un en face de l’autre, et se trouvent substantiellement à la même distance de l’extrémité apicale et de l’extrémité basale de ladite cavité centrale (2).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans laquelle la cathode et/ou l’anode poreuse ont une porosité théorique Ptcomprise de 60 à 80%, notamment de 70 à 75%, en particulier d’environ 73%,
et/ou
dans laquelle la distance entre la cathode et l’anode est comprise de 1 à 6 mm, ou est inférieure à 1 mm, notamment comprise de 0,1 à 1 mm,
et/ou
dans laquelle la cathode et/ou l’anode poreuse est constitué d’un mélange de :
- noir de carbone,
- un polymère ionique,
- éventuellement un catalyseur, et
- optionnellement du polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, comprenant en outre deux joints d’étanchéité (10), notamment ayant une épaisseur comprise de 0,2 à 1,0 mm,
et/ou comprenant en outre deux plaques de fermeture (11), et/ou comprenant en outre deux collecteurs de courant (12), notamment intégrés aux plaques de fermeture,
lesdits joints d’étanchéité (10) et lesdites plaques de fermeture (11) étant fixés sur le corps solide (1) par l’intermédiaire d’au moins un trou de montage (9).
Un deuxième objetde la présente invention est un procédé de fabrication corps solide (1), tel que défini ci-dessus, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- une étape A d’impression 3D pour obtenir un corps solide brut,
- une étape B de lavage pour obtenir un corps solide lavé, et
- optionnellement une étape C de polissage dudit corps solide lavé.
Le corps solide (1) est préalablement dessiné à l’aide d’un logiciel de dessin tel que le logiciel Fusion 360. Le corps solide brut est ensuite obtenu à l’aide d’une imprimante 3D, utilisant des monomères photo-polymérisables.
Le corps solide ainsi obtenu à l’issu de l’étape A est ensuite « nettoyé » lors d’une étape B de lavage. Cette étape de lavage permet d’éliminer les résidus de monomères, éventuellement présents dans les canaux, les cavités et les logements. L’étape de lavage est par exemple effectuée par sonication dans un bain d’isopropanol. Après lavage, un jet d’air comprimé peut être appliqué au corps solide, afin d’éliminer les solvants utilisés pendant le lavage. Le jet d’air peut être poussé à travers des différents canaux et cavités, en plaçant un tuyau qui apporte l’air comprimé sur des protubérances prévues à cet effet. Les protubérances se trouvent au niveau des orifices, et sont supprimées lors de l’étape C de polissage.
La cellule d’électrolyse selon la présente invention peut comprendre, ou peut être dépourvue desdites protubérances.
Certaines Figures fournies dans la présente demande montrent toutefois ces protubérances, comme par exemple au niveau de l’orifice (81) de la Figure 2B.
Outre le corps solide, il est possible de fabriquer :
- Les joints d’étanchéité (10), par découpe laser dans L’EPDM ou le silicone.
- Les plaques de fermeture (11) par impression 3D ou par découpe Laser, suivi d’une étape d’usinage permettant l’insertion du collecteur de courant (12), ledit collecteur de courant étant fixé à la plaque de fermeture (11) à l’aide d’une résine de type époxy.
Un troisième objetde la présente invention est l’utilisation d’une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, dans une réaction d’électrolyse.
La cellule d’électrolyse selon la présente invention peut être utilisée, à la fois pour effectuer des réactions cathodiques, et pour effectuer des réactions anodiques. Lesdites réactions cathodiques et anodiques pouvant avoir lieu simultanément.
Parmi les réactions cathodiques, ayant lieu à la cathode, on peut citer, à titre d’exemple :
- la réduction du dioxyde de carbone (CO2) en monoxyde de carbone (CO), en acide formique (CO2H), en méthanol (CH3OH), en méthane (CH4), ou en éthane (C2H6),
- la réduction d’oxalate de diméthyle en éthylène glycol, en tartrate de diméthyle, en 2-Butanone; en 2,2 diméthoxy propane, en hydroxyméthylester d’acide acétique, en décane, et/ou en octane., notamment en éthylène glycol ou en octane.
Parmi les réactions anodiques, ayant lieu à l’anode, on peut citer, à titre d’exemple :
- l’oxydation d’eau (H2O) en oxygène (O2),
- l’oxydation de chlorure (Cl-) en chlore (Cl2),
- l’oxydation d’hydroxyde (OH-) en oxygène (O2),
- l’oxydation d’un alcool primaire en aldéhyde,
- l’oxydation d’un alcool secondaire en cétone,
- la carbonylation d’un alcool en dialkyloxalate.
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une utilisation telle que définie ci-dessus, dans laquelle la réaction d’électrolyse est une réaction de réduction de dioxyde de carbone en monoxyde de carbone.
La réduction de dioxyde de carbone en monoxyde de carbone est une réaction cathodique, ayant lieu à la cathode. Cette réaction peut notamment être effectué en utilisant une cathode comprenant du phtalocyanine de cobalt comme catalyseur.
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une utilisation telle que définie ci-dessus, dans laquelle plusieurs cellules d’électrolyse, telles que définies ci-dessus, sont utilisées en parallèle ou en série. Une telle installation est schématisée dans lesFigures 19et18respectivement.
Une installation expérimentale comprenant plusieurs cellules d’électrolyse en parallèle permet d’augmenter la production des produits de réaction.
Une installation expérimentale comprenant plusieurs cellules d’électrolyse en série permet d’augmenter la conversion des réactifs en produits de réaction, si nécessaire. Dans ce cas, une première cellule d’électrolyse permet d’obtenir un mélange de réactifs et de produits attendus, si la conversion de la réaction n’est pas complète. Ledit mélange est alors apporté, dans une deuxième cellule, reliée en série à la première cellule, dans laquelle le réactif restant à l’issu de la première cellule est converti en produit attendu. Plusieurs cellules peuvent ainsi être reliées afin d’obtenir une conversion totale.
Un quatrième objetde la présente invention est un procédé d’électrolyse effectué dans une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les extrémités respectives des canaux d’admission (6, 7), les deux flux étant dirigés en sens opposés,
les deux flux se rencontrant dans la cavité centrale (2), entrainant une séparation de chacun des flux, respectivement en deux parties,
une première partie de l’un des flux, et une première partie de l’autre flux étant conduites vers l’anode, et une deuxième partie de l’un des flux, et une deuxième partie de l’autre flux étant conduites vers la cathode,
- une étape 2 d’apport d’une matière par au moins un canal d’apport (5), depuis l’extérieur du corps solide (1) vers l’anode poreuse et/ou la cathode poreuse,
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre ladite cathode et ladite anode, notamment de 5V, entrainant la réaction d’électrolyse.
Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte est effectuée avant l’étape 2 d’apport d’une matière.
Selon ce mode de réalisation, la cellule d’électrolyse est d’abord équilibrée avec le flux d’électrolyte avant d’apporter la matière depuis les canaux d’apport (5).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte est effectuée avant l’étape 2 d’apport d’une matière, et l’étape 3 d’application d’une différence de potentiel est effectuée après l’étape d’apport d’une matière.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel l’électrolyte est une solution d’un sel dans un solvant.
Le sel est constitué d’un anion, et d’un cation,
notamment d’unanionchoisi parmi hydroxyde, carbonate, bicarbonate, chlorure, perchlorate, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, sulfate et phosphate, et d’uncationchoisi parmi sodium, potassium, NH4 +, alkyl ammonium, lithium et césium.
Plus particulièrement, le sel est choisi parmi le bicarbonate de sodium, le bicarbonate de lithium, le carbonate de tétraéthyle ammonium, et le carbonate de césium.
Le solvant est notamment de l’eau, du méthanol, de l’éthanol, du tétrahydrofurane, ou du CO2supercritique, de préférence de l’eau.
l’électrolyte étant notamment une solution aqueuse de bicarbonate de soude à 0,5 M.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel chacun des deux flux d’électrolyte a substantiellement le même débit, ou a le même débit.
Afin d’assurer la séparation des flux, le «split», au sein de la cavité centrale, les deux flux d’électrolyte se rencontrent de façon frontale, puis se séparent. Quand le débit du premier flux est trop différent du débit du deuxième flux un risque existe que le plus faible flux est « poussé » vers l’extérieure du corps solide par le canal de flux d’électrolyte d’où il vient. Il est également possible d’éviter ceci par un système anti-retour.
Par« substantiellement le même débit» on entend que le débit du deuxième flux correspond au débit du premier flux +/- 10%, notamment +/- 5%, en particulier +/- 1%.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le débit de chacun des flux d’électrolyte est compris de 1 ml/min à 1 l/min, en particulier de 40 à 60 ml/min, notamment d’environ 48 ml/min.
Par «de 1 ml/min à 1 l/min», il faut également comprendre les gammes suivantes : de 10 ml/min à 1 l/min, de 0,1 à 1 l/min, de 0,25 à 1 l/min, de 0,5 à 1 l/min, de 1 à 500 ml/min, de 1 à 250 ml/min, de 1 à 100 ml/min, de 1 à 50 ml/min, de 10 à 100 ml/min, de 10 à 50 ml/min, de 20 à 50 ml/min, de 40 à 50 ml/min.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le temps de résidence de l’électrolyte au sein de la cellule d’électrolyse est compris de 0,03 à 1 seconde.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la matière apportée à l’étape 2 d’apport est un gaz, notamment à raison de 0,4 l/min, à une pression comprise de 0 à 200 bars.
Par de «0 à 200 bars» il faut également comprendre le gammes suivantes : de 10 à 200 bars, de 50 à 200 bars, de 100 à 200 bars, de 150 à 200 bars, de 10 à 100 bars, de 20 à 50 bars ,de 0 à 150 bars, de 0 à 100 bars, de 0 à 50 bars, de 0 à 10 bars, notamment de 3 bars.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la matière apportée à l’étape 2 est choisie parmi :
- un gaz réactif, notamment choisi parmi l’éthylène, le CO2, le CO, l’O2,
- un liquide réactif, notamment choisi parmi l’H2O, un alcool, en particulier du méthanol ou de l’éthanol, de l’acide formique,
- une solution comprenant un réactif,
- un gaz inerte, notamment de l’azote,
- un liquide de refroidissement ou un liquide caloporteur.
La matière apportée à l’étape 2 peut également comprendre un catalyseurs et/ou un promoteur, comme par exemple des sels de iode ou des acides de Lewis.
Ainsi, le procédé selon l’invention peut comprendre :
- l’apport d’un réactif, notamment un gaz, à la cathode et à l’anode,
- l’apport d’un réactif notamment un gaz, à la cathode mais pas à l’anode, la réaction anodique ayant lieu par l’intermédiaire des composants présents dans le flux d’électrolyte,
- l’apport d’un réactif notamment un gaz, à l’anode mais pas à la cathode, la réaction cathodique ayant lieu par l’intermédiaire des composants présents dans le flux d’électrolyte.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la matière apportée à l’étape 2 est absent de l’électrolyte conduit à partir de l’extérieur du corps solide (1) vers la cavité centrale (2).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la matière apportée à l’étape 2 est du dioxyde de carbone, notamment à raison de 0,4 l/min, ledit dioxyde de carbone étant un réactif dans la réaction d’électrolyse.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé d’électrolyse, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les canaux d’admission (6, 7) dans une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, les deux flux étant dirigés en sens opposés,
- une étape 2 d’apport d’une matière dans ladite cellule d’électrolyse par le au moins un canal d’apport (5),
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode, notamment de 5V,
entrainant une réaction d’électrolyse, notamment de la matière apportée par le au moins un canal d’apport (5),
notamment dans lequel le flux d’électrolyte ne comprend pas la matière apportée à l’étape 2.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les canaux d’admission (6, 7) dans une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, les deux flux étant dirigés en sens opposés,
- une étape 2 d’apport d’une matière dans ladite cellule d’électrolyse par le au moins un canal d’apport (5),
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode, notamment de 5V,
entrainant une réaction d’électrolyse de la matière apportée par le au moins un canal d’apport (5),
la matière apportée à l’étape 2 est choisie parmi :
- un gaz réactif, notamment choisi parmi l’éthylène, le CO2, le CO, l’O2,
- un liquide réactif, notamment choisi parmi l’H2O, un alcool, en particulier du méthanol ou de l’éthanol, de l’acide formique,
- une solution comprenant un réactif,
notamment dans lequel le flux d’électrolyte ne comprend pas la matière apportée à l’étape 2.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les canaux d’admission (6, 7) dans une cellule d’électrolyse telle que définie ci-dessus, les deux flux étant dirigés en sens opposés,
- une étape 2 d’apport d’une matière dans ladite cellule d’électrolyse par le au moins un canal d’apport (5),
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode, notamment de 5V,
entrainant une réaction d’électrolyse d’une matière contenue dans les flux d’électrolyte,
la matière apportée à l’étape 2 est choisie parmi un liquide de refroidissement, un liquide caloporteur ou un gaz inerte, notamment de l’azote..
Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel l’électrolyse est une réaction de réduction de CO2en CO, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- admission des flux d’électrolyte, notamment une solution aqueuse de bicarbonate de soude à 0,5M, par les canaux (6) et (7), puis
- apport de CO2à la cathode, par le au moins un canal d’apport (5), puis
- application d’une différence de potentiel, notamment de 5V, entre la cathode et l’anode, puis,
- collecte du CO formé à la cathode,
dans lequel le procédé comprend optionnellement l’apport d’une matière à l’anode, par les canaux d’apport (5), ladite matière étant notamment une matière pouvant être oxydée à l’anode.
Un cinquième objetde la présente invention est un procédé de réduction de CO2en CO, dans une cellule d’électrolyse selon l’invention, comprenant les étapes suivantes :
- admission des flux d’électrolyte, notamment une solution aqueuse de bicarbonate de soude à 0,5M, par les canaux (6) et (7), puis
- apport de CO2par le au moins un canal d’apport (5), puis
- application d’un biais de potentiel, notamment de 5V, entre la cathode et l’anode, puis,
- collecte du produit de réaction.
Les exemples et Figures suivants illustrent l’invention, sans en limiter la portée.
LesFigures 1 à 8montrent un mode de réalisation d’une cellule d’électrolyse comprenant un corps solide (1) contenant 4 canaux d’apport (5). 2 desdits 4 canaux d’apport (5) pouvant sélectivement apporter une matière à la cathode, à travers une première cavité secondaire (2’), et 2 desdits canaux d’apport (5) pouvant sélectivement apporter une matière à l’anode, à travers une deuxième cavité secondaire (2’).
LesFigures 9 à 13montrent un mode de réalisation, d’une cellule d’électrolyse comprenant un corps solide (1) contenant 2 canaux d’apport (5). Lesdits 2 canaux d’apport (5) se séparent en 2 à l’intérieur du corps solide (1), pour former 2 nouveaux canaux pour chaque canal d’apport (5). Le corps solide (1) selon ce mode de réalisation comprend 2 cavités secondaires (2’) par lesquelles les flux de matière sont portés à la cathode et à l’anode.
2représente l’emplacement de la cavité centrale,3et4représentent l’emplacement des logements apical3et basal4,1’représente la partie du corps solide comprenant l’ une au moins des cavité secondaire,6/7représentent les canaux d’admission des flux d’électrolyte à contrecourant,5représente les canaux d’apport de matière,9représente les trous de montage destinés à assembler les pièces détachées de la cellule, à savoir notamment les joints d’étanchéité et les plaques de fermeture,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,83représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans le corps solide,86représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans un logement.
1’représente la partie du corps solide comprenant la au moins une cavité secondaire,2’représente les cavités secondaires,3et4représentent les logements apical3et basal4,5représente les canaux d’apport de matière,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,82représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale,83représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans le corps solide,86représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans un logement,Breprésente une des faces planes du corps solide.
2représente la cavité centrale,2’représente les cavités secondaires,3et4représentent les logements apical3et basal4,6/7représentent les canaux d’admission des flux d’électrolyte à contrecourant,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,Dreprésente une arête de la cavité centrale,Creprésente la surface latérale de la cavité centrale,Freprésente la surface latérale intérieure de la partie1’du corps solide,Greprésente la surface apical de la partie1’du corps solide.
5représente les canaux d’apport de matière,81représente un orifice permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,82représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale,Ireprésente la surface latérale du logement3apical,Jreprésente l’arête du logement apical3,Kreprésente la face plane du logement apical3.
2représente la cavité centrale,2’représente les cavités secondaires,5représente les canaux d’apport de matière,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,82représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale,83représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans le corps solide,84représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans une cavité secondaire2’,Areprésente l’une des faces latérales du corps solide.
5représente les canaux d’apport de matière,6/7représentent les canaux d’admission des flux d’électrolyte à contrecourant,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,82représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale,83représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans le corps solide,84représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans une cavité secondaire2’.
La Figure 7B représente une vue de dessus, sur une des faces planesBdudit corps solide. l’intersection des deux axesa’’eta’’’correspond au point de symétrieidu corps solide.
2représente l’emplacement de la cavité centrale,3représente le logement apical,9représente les trous de montage destinés à assembler les pièces détachées de la cellule, à savoir notamment les joints d’étanchéité et les plaques de fermeture,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,83représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans le corps solide,86représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans un logement,Breprésente un des 2 faces planes dudit corps solide.Areprésente une face latérale du corps solide.
2représente l’emplacement de la cavité centrale,9représente les trous de montage destinés à assembler les pièces détachées de la cellule, à savoir notamment les joints d’étanchéité et les plaques de fermeture,86représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans un logement.
2représente l’emplacement de la cavité centrale,1’représente la partie du corps solide comprenant l’une au moins des cavités secondaires,6/7représentent les canaux d’admission des flux d’électrolyte à contrecourant,5représente les canaux d’apport de matière,9représente les trous de montage destinés à assembler les pièces détachées de la cellule, à savoir notamment les joints d’étanchéité et les plaques de fermeture,81représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans le corps solide,82représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale,83représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans le corps solide,84représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans une cavité secondaire2’,86représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans un logement.
2représente la cavité centrale,2’représente des cavités secondaires,3/4représentent les logements,9représente les trous de montage destinés à assembler les pièces détachées de la cellule, à savoir notamment les joints d’étanchéité et les plaques de fermeture,82représente les orifices permettant l’entrée des flux d’électrolyte dans la cavité centrale,86représente les orifices permettant l’entrée des flux de matière dans un logement.
La Figure 15A représente une cavité centrale2cylindrique, entourée de deux cavités secondaires 2’ sous forme de demi tore à section circulaire.
La Figure 15B représente une cavité centrale2sous forme de prisme hexagonal, entourée de deux cavités secondaires 2’ sous forme de demi tore à section circulaire, présentant des angles.
La Figure 16A représente une cavité secondaire sous la forme d’un tore à section circulaire, vu de dessus, la Figure 16B représente une vue en perspective d’une cavité secondaire sous la forme d’un tore à section rectangulaire, la Figure 16C représente une vue en perspective d’une cavité secondaire sous la forme d’un tore à section circulaire, la Figure 16D représente une vue en perspective d’une cavité secondaire sous la forme d’un demi-tore à section rectangulaire, la Figure 16E représente une coupe d’une section circulaire de la cavité secondaire de la Figure 16C, mettant en évidence les différents surfacesHla Figure 16F représente une coupe d’une section ovale d’une cavité secondaire sous forme de tore à section ovale, mettant en évidence les différents surfacesH,
H’représentent les surfaces apicales et basales,H’’représente la surface latérale extérieure,H’’’représente la surface latérale intérieure,85représente les orifices permettant la sortie des flux de matières de la cavité secondaire 2’.
L représente une protubérance permettant de boucher les orifices85, présentes sur la partie1’de la cavité centrale,Mreprésente des encoches permettant de faire circuler la matière dans deux cavités secondaires.
ABREVIATIONS
| SLA | stéréolithographie |
| EPDM | éthylène-propylène-diène monomère |
| PMMA | polyméthacrylate de méthyle |
| PP | polypropylène |
| PU | polyuréthane |
| PTFE | polytétrafluoroéthylène, Teflon® |
| GC | Chromatographie Gazeuse |
| TCD | détecteur à conductivité thermique |
EXEMPLES
Exemple 1–Préparation du corps solide
Le corps de la cellule a été fabriquée à l’aide d’une imprimante 3D (Formlabs, Form 2), employant la technologie SLA (stéréolithographie), le matériau utilisé est une résine photo polymérisable à base d’acide méthacrylique, qui a été polymérisé sous irradiation UV à 405 nm.
Les fichiers 3D ont été obtenus à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D Fusion 360 version 2.0.10564.
Les différentes pièces ont été conçues à partir de l’extrusion des faces d’une ébauche 2D. Les différentes cavités ont été obtenues par soustraction des formes désirées (forme préalablement générées).
Après impression le corps a été placé dans un bain de sonication contenant de l’isopropanol, puis soniqué pendant 15 minutes, les cavités ont ainsi été vidées des résidus de résine non polymérisés, puis le solvant isopropanol a été évaporé à l’aide d’un jet d’air comprimé. Le corps a été lavé une seconde fois par sonication dans de l’isopropanol, puis traité pendant 20 minutes sous UV à 405 nm pour assurer la polymérisation complète de la résine.
Les pas de vis permettant la fixation des adaptateurs pour tuyauterie ont ensuite été percés puis taraudés manuellement.
Exemple 2–Préparation des pièces détachées et assemblage de la cellule
La découpe laser a été utilisée pour obtenir les joints ainsi que les plaques externes.
Les pièces ont été dessinées en 2D à l’aide du logiciel Fusion 360 version 2.0.10564, puis découpées dans différents matériaux (EPDM ou silicone pour les joints et PMMA pour les plaques externes).
Les plaques externes ont également été obtenues par impression 3D.
Exemple 3–Préparation d’une électrode cathodique pour la réduction de CO 2 en CO
Un mélange 1/1 en masse de noir de carbone (500 mg) et de phtalocyanine de cobalt (500 mg) a été suspendu par sonication dans l’éthanol (50 ml), puis à cette suspension a été ajouté du PTFE (10 mg), et du Nafion® (10 mg). La suspension a ensuite été évaporée sous vide pour donner un matériau sous la forme d’une poudre. Ledit matériau sous forme de poudre a ensuite été transformé en électrode par deux méthodes :
Méthode 1: Une pâte a été formée par ajout d’une faible quantité d’éthylène glycol (0.1 à 15 ml. La pâte a été déposée dans un moule et le solvant a été évaporé par chauffage.
Méthode 2: la poudre a été pressée à l’aide d’une presse manuelle, le palet (contenu dans
la presse) a ensuite été chauffé à 90 °C pour une durée de 3h.
Exemple 4–Préparation d’une électrode cathodique pour la réduction de H 2 O en H 2
Une électrode a été préparée selon la procédure de l’exemple 3, en remplaçant le phtalocyanine de cobalt par du platine.
Exemple 5–Préparation d’une électrode anodique pour une réaction de carbonylation oxydative
Dans un erlenmeyer, 200 mg de HAuCl, 250 mg de poudre Vulcan XC72r et 500 mL d’eau ultra pure*. Un barreau aimanté est introduit dans l’erlenmeyer, ainsi qu’une sonde à ultrasons. Le mélange est soniqué pendant une nuit (67,5 W) sous agitation. La solution est transvasée dans un ballon, puis le solvant est évaporé. La poudre ainsi obtenue est compressée dans un moule pour obtenir la forme souhaitée de l’électrode anodique.
*L’eau ultrapure peut être remplacée par de l’éthanol ou du méthanol. 100 à 500 mg de PTFE et/ou 5 à 500 mg d’un ionomère peuvent également être ajoutés.
Exemple 6–réaction de réduction de CO 2 en CO
La cellule d’électrolyse selon les Figures 9 à 13 a été utilisée dans une réaction de réduction de CO2en CO. L’électrode préparée selon l’exemple 3 a été utilisée comme cathode.
Une chronoampérométrie a été effectuée en appliquant un biais de potentiel de 5 V entre l’anode et la cathode pendant 650 secondes ( ). Du CO2a été apporté avec un débit de 0.4 l.min-1et l’électrolyte composé de 0.5 M NaHCO3a été circulé dans le système à une débit de 48 mL.min-1. Un échantillon du gaz produit a été examiné par GC équipé d’un détecteur TCD ( ), montrant la présence de CO (1.37 min) comme seul produit de l’électrolyse (le pic à 1.31 correspond à l’air). Le courant catalytique observé a été de 36 mA.cm-2.
Exemple 7–réaction de réduction de CO 2 en CO
La cellule d’électrolyse selon les Figures 1 à 8 a été utilisée dans une réaction de réduction de CO2en CO. L’électrode préparée selon l’exemple 3 a été utilisée comme cathode.
Une chronoampérométrie a été effectuée en appliquant un biais de potentiel de 5 V entre l’anode et la cathode pendant 650 secondes. CO2a été apporté avec un débit de 0.4 l.min-1 et l’électrolyte composé de 0.5 M NaHCO3a été circulé dans le système à une débit de 48 mL.min-1. Un échantillon du gaz produit a été examiné par GC équipé d’un détecteur TCD, montrant la présence de CO (1.37 min) comme seul produit de l’électrolyse. Le courant catalytique observé est de 100 mA.cm-2.
Example 8–réaction de carbonylation oxydative
La cellule d’électrolyse selon les Figures 1 à 8 est utilisée dans une réaction de carbonylation. L’électrolyseur est configuré avec une anode selon l’exemple 5 (ou d’une autre cathode et/ou anode décrites dans la présente demande).
Un électrolyte composé de méthanol et d’un sel (perchlorate de sodium) est circulé dans la cellule à l’aide des pompes à travers la cavité centrale.
Les cavités secondaires apportent du CO à l’anode. Un biais de potentiel de 5V est appliqué entre la cathode et l’anode.
L’électrolyte, les réactifs qui n’ont pas réagi et les produits de réaction, à savoir le carbonate de diméthyle sont collectés dans des séparateurs de gaz, les gaz sont ensuite purifiés à l’aide d’une membrane.
Example 9–réaction de réduction de CO 2 en CO à la cathode et carbonylation oxydative à l’anode
La cellule d’électrolyse selon les Figures 1 à 8 est utilisée. L’électrolyseur est configuré avec une cathode selon l’exemple 3 et une anode selon l’exemple 5 (ou d’une autre cathode et/ou anode décrites dans la présente demande).
Un électrolyte composé de méthanol et d’un sel (perchlorate de sodium) est circulé dans la cellule à l’aide des pompes à travers la cavité centrale.
Les cavités secondaires apportent du CO2à l’a cathode et du CO à l’anode. Un biais de potentiel de 5V est appliqué entre la cathode et l’anode.
L’électrolyte, les réactifs qui n’ont pas réagi et les produits de réaction sont collectés dans des séparateurs de gaz, les gaz sont ensuite purifiés à l’aide d’une membrane.
Claims (14)
- Cellule d’électrolyse en 3D, sans membrane, comprenant :
- un corps solide (1) délimité par au moins 6 faces extérieures, dont au moins 4 faces latérales (A) et 2 faces planes (B), supérieure et inférieure, et
- une anode poreuse, et
- une cathode poreuse,
- une cavité centrale (2),
- deux logements, apical (3) et basal (4),
- au moins une cavité secondaire (2’),
- au moins un canal d’apport (5) d’une matière,
- deux canaux d’admission (6, 7) de deux flux d’électrolyte, et
- au moins un canal d’approvisionnement (8),
- ladite anode poreuse, et ladite cathode poreuse sont respectivement contenues dans lesdits logements apical (3) et basal (4),
- chaque canal d’admission (6) ou (7), s’étend respectivement de la cavité centrale (2) jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
- le au moins un canal d’apport (5) s’étend d’une au moins une cavité secondaire (2’), jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
- le au moins un canal d’approvisionnement (8), s’étend d’une au moins une cavité secondaire (2’), jusqu’aux logements apical (3) et/ou basal (4),
les deux canaux d’admission (6, 7) sont aptes à conduire un électrolyte à partir de l’extérieur du corps solide (1) vers la cavité centrale (2),
ledit au moins un canal d’approvisionnement (8) est apte à conduire une matière depuis la au moins une cavité secondaire (2’) vers le logement apical (3) ou le logement basal (4) contenant respectivement l’ anode et la cathode. - Cellule d’électrolyse selon la revendication 1, comprenant :
- un corps solide (1) délimité par au moins 6 faces extérieures, dont au moins 4 faces latérales (A) et 2 faces planes (B), supérieure et inférieure, et
- une anode poreuse, et
- une cathode poreuse,
- une cavité centrale (2), délimitée par une surface latérale (C), formant interface avec le susdit corps solide (1), et par au moins deux arêtes (D), respectivement apicale et basale, formant les extrémités apicale et basale de la cavité centrale (2),
- au moins une cavité secondaire (2’) sous forme de tore,
et par deux surfaces (G), respectivement apicale et basale,
ladite au moins une cavité secondaire (2’) étant délimitée par une surface (H), formant interface avec la partie (1’) du corps solide,
ladite au moins une cavité secondaire (2’) entourant au moins partiellement la cavité centrale (2), sur une partie de sa surface latérale (C),- lesdits logements apical (3) et basal (4) étant chacun délimité par une surface latérale (I), par au moins une arête (J), et par formant interface avec le susdit corps solide (1), une face plane (K),
ladite face plane (K) étant parallèle aux deux faces planes (B), supérieure et inférieure, du corps solide (1) et formée par la surface (G) de la partie (1’) de la cavité secondaire et par une extrémité de la cavité secondaire (2),
la face plane (K) du logement apical (3) étant formée par la surface (G) apicale de la partie (1’) du corps solide et par l’extrémité apicale de la cavité centrale (2),
la face plane (K) du logement basal (4) étant formée par la surface (G) basale de la partie (1’) du corps solide et par l’extrémité basale de la cavité centrale (2),- au moins un canal d’apport (5) d’une matière,
- deux canaux d’admission (6, 7) de deux flux d’électrolyte, et
- au moins un canal d’approvisionnement (8),
- ladite anode poreuse, et ladite cathode poreuse sont respectivement contenues dans lesdits logements apical (3) et basal (4),
- chaque canal d’admission (6) ou (7), s’étend respectivement de part et d’autre de la cavité centrale (2), à partir d’une zone de ladite surface (C), jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
lesdits canaux d’admission (6,7) formant deux entrées de la cellule,- le au moins un canal d’apport (5) s’étend d’une zone latérale extérieure (H’’) de la surface (H) de la au moins une cavité secondaire (2’), jusqu’à une face latérale (A) du corps solide (1),
- le au moins un canal d’approvisionnement (8), part d’une zone de la surface apicale (H’) et/ou d’une zone de la surface basale (H’) de la surface H de la cavité secondaire (2’), et débouche sur lesdits logements apical (3) et/ou basal (4), par les faces planes (K) desdits logements, et par la surface apicale (G) et/ou basale (G) de la partie (1’) du corps solide,
les deux canaux d’admission (6, 7) sont aptes à conduire un électrolyte à partir de l’extérieur du corps solide (1) vers la cavité centrale (2),
ledit au moins un canal d’approvisionnement (8) est apte à conduire une matière depuis la au moins une cavité secondaire (2’) vers le logement apical (3) ou le logement basal (4). - Cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle ledit corps solide (1) est sous la forme d’un parallélépipède, et est notamment sous la forme d’un cube,
et/ou
dans laquelle la cavité centrale (2) est substantiellement sous une forme cylindrique, et est notamment sous forme de cylindre, ou est sous la forme d’un prisme hexagonal. - Cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 3, comportant quatre cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant notamment sous la forme de demi-tore à section ovale ou circulaire, ou comportant deux cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant notamment sous la forme de tore à section ovale ou circulaire,
ou comportant une cavité secondaire (2’), notamment sous la forme de tore à section ovale ou circulaire. - Cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant :
- une cavité centrale (2) sous forme de cylindre,
- quatre cavités secondaires (2’), chaque cavité secondaire étant sous la forme de demi-tore à section ovale ou circulaire,
- 4 canaux d’apport (5), chaque canal d’apport s’étend à partir d’une des quatre cavités secondaires (2’),
- deux canaux d’admission (6) et (7), lesdits canaux d’admission partent respectivement de la cavité centrale (2), l’un en face de l’autre, et se trouvent substantiellement à la même distance de l’extrémité apicale et de l’extrémité basale de ladite cavité centrale (2).
- Cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la cathode et/ou l’anode poreuse ont une porosité théorique Ptcomprise de 60 à 80%, notamment de 70 à 75%, en particulier d’environ 73%,
et/ou
dans laquelle la distance entre la cathode et l’anode est comprise de 1 à 6 mm, ou est inférieure à 1 mm, notamment comprise de 0,1 à 1 mm,
et/ou
dans laquelle la cathode et/ou l’anode poreuse est constitué d’un mélange de :- noir de carbone,
- un polymère ionique,
- éventuellement un catalyseur, et
- optionnellement du polytétrafluoroéthylène (PTFE).
- Cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre deux joints d’étanchéité (10), notamment ayant une épaisseur comprise de 0,2 à 1,0 mm,
et/ou comprenant en outre deux plaques de fermeture (11), et/ou comprenant en outre deux collecteurs de courant (12), notamment intégrés aux plaques de fermeture,
lesdits joints d’étanchéité (10) et lesdites plaques de fermeture (11) étant fixés sur le corps solide (1) par l’intermédiaire d’au moins un trou de montage (9). - Procédé de fabrication d’une cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 7, ledit procédé comprenant la préparation d’un corps solide (1) tel que défini dans les revendications 1 à 7, dans lequel ladite préparation du corps solide (1) comprend les étapes suivantes :
- une étape A d’impression 3D pour obtenir un corps solide brut,
- une étape B de lavage pour obtenir un corps solide lavé, et
- optionnellement une étape C de polissage dudit corps solide lavé,
- Utilisation d’une cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 7, dans une réaction d’électrolyse.
- Procédé d’électrolyse, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les canaux d’admission (6, 7) dans une cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 7, les deux flux étant dirigés en sens opposés,
- une étape 2 d’apport d’une matière dans ladite cellule d’électrolyse par le au moins un canal d’apport (5),
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode, notamment de 5V,
notamment dans lequel le flux d’électrolyte ne comprend pas la matière apportée à l’étape 2. - Procédé d’électrolyse selon la revendication 10, dans lequel la matière apportée à l’étape 2 est choisie parmi :
- un gaz réactif, notamment choisi parmi l’éthylène, le CO2, le CO, l’O2,
- un liquide réactif, notamment choisi parmi l’H2O, un alcool, en particulier du méthanol ou de l’éthanol, de l’acide formique,
- une solution comprenant un réactif,
- un gaz inerte, notamment de l’azote,
- un liquide de refroidissement ou un liquide caloporteur.
- Procédé d’électrolyse selon la revendication 10, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les canaux d’admission (6, 7) dans une cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 7, les deux flux étant dirigés en sens opposés,
- une étape 2 d’apport d’une matière dans ladite cellule d’électrolyse par le au moins un canal d’apport (5),
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode, notamment de 5V,
la matière apportée à l’étape 2 est choisie parmi :- un gaz réactif, notamment choisi parmi l’éthylène, le CO2, le CO, l’O2,
- un liquide réactif, notamment choisi parmi l’H2O, un alcool, en particulier du méthanol ou de l’éthanol, de l’acide formique,
- une solution comprenant un réactif,
- Procédé d’électrolyse selon la revendication 10, le procédé comprenant :
- une étape 1 d’introduction de deux flux d’électrolyte par les canaux d’admission (6, 7) dans une cellule d’électrolyse selon l’une des revendications 1 à 7, les deux flux étant dirigés en sens opposés,
- une étape 2 d’apport d’une matière dans ladite cellule d’électrolyse par le au moins un canal d’apport (5),
- une étape 3 d’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode, notamment de 5V,
la matière apportée à l’étape 2 est choisie parmi un liquide de refroidissement, un liquide caloporteur ou un gaz inerte, notamment de l’azote.. - Procédé d’électrolyse selon la revendication 10, dans lequel l’électrolyse est une réaction de réduction de CO2en CO, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- admission des flux d’électrolyte, notamment une solution aqueuse de bicarbonate de soude à 0,5M, par les canaux (6) et (7), puis
- apport de CO2à la cathode, par le au moins un canal d’apport (5), puis
- application d’une différence de potentiel, notamment de 5V, entre la cathode et l’anode, puis,
- collecte du CO formé à la cathode,
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| STIGLER ET AL.: "The Fluid Flow in the T-Junction. The Comparison of the Numerical Modeling and Piv Measurement", PROCEDIA ENGINEERING, vol. 39, 2012, pages 19 - 27 |
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