FR3127763A1 - Photoelectrochemical converter for the production of dihydrogen. - Google Patents
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Abstract
Convertisseur photoélectrochimique Convertisseur photoélectrochimique (5) comportant un module photovoltaïque (15) et un module électrochimique (10) comportant un bloc anodique (20) , un bloc cathodique (25) et une cellule d’électrolyse (30), prise en sandwich entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et qui est alimentée électriquement par le module photovoltaïque pour électrolyser de l’eau afin de générer du dihydrogène,la cellule d’électrolyse délimitant avec le bloc cathodique une chambre cathodique (70) et avec le bloc anodique une chambre anodique (65) pour la circulation de fluide au contact de la cellule d’électrolyse,le module électrochimique comportant un circuit de distribution d’eau débouchant à son aval dans la chambre anodique et comportant une portion d’échange thermique (110), pour échanger de la chaleur avec le module photovoltaïque (15), qui est disposée entre la chambre cathodique et le module photovoltaïque. Figure pour l’abrégé : Fig. 4Photoelectrochemical converter Photoelectrochemical converter (5) comprising a photovoltaic module (15) and an electrochemical module (10) comprising an anode block (20), a cathode block (25) and an electrolysis cell (30), sandwiched between the anode block and the cathode block, and which is electrically powered by the photovoltaic module to electrolyze water in order to generate dihydrogen, the electrolysis cell defining with the cathode block a cathode chamber (70) and with the anode block a anode chamber (65) for the circulation of fluid in contact with the electrolysis cell, the electrochemical module comprising a water distribution circuit opening downstream into the anode chamber and comprising a heat exchange portion (110), to exchange heat with the photovoltaic module (15), which is arranged between the cathode chamber and the photovoltaic module. Figure for abstract: Fig. 4
Description
La présente invention concerne un convertisseur photoélectrochimique pour la génération de dihydrogène.The present invention relates to a photoelectrochemical converter for the generation of dihydrogen.
Il est connu, par exemple de « Amodular device for large area integrated photoecltrochemical water-splitting as a versatile tool to evaluate photoabsorbers and catalyst», J.-P. Becker et al., J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 4818-4826, doi : 10.1039/C6TA10688A, un convertisseur photo-électrochimique comportant un module photovoltaïque convertissant un rayonnement lumineux en un courant électrique qui alimente électriquement une cellule d’électrolyse comportant une anode et une cathode qui prennent en sandwich une membrane électrolytique échangeuse d’ions. De l’eau est distribuée sur l’anode où elle est oxydée selon la réaction :It is known, for example, from “A modular device for large area integrated photoelectrochemical water-splitting as a versatile tool to evaluate photoabsorbers and catalyst ”, J.-P. Becker et al., J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 4818-4826, doi: 10.1039/C6TA10688A, a photo-electrochemical converter comprising a photovoltaic module converting light radiation into an electric current which electrically supplies an electrolysis cell comprising an anode and a cathode which take sandwich an electrolyte ion exchange membrane. Water is distributed on the anode where it is oxidized according to the reaction:
2H2O → 4H++ 4e-+ O2 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2
Les ions H+ traversent la membrane électrolytique et atteignent la cathode où ils sont réduits selon l’équationThe H+ ions cross the electrolyte membrane and reach the cathode where they are reduced according to the equation
2H++ 2e-→ H2 2H + + 2nd - → H 2
Ainsi, un dégagement gazeux de dihydrogène est produit au niveau de la cathode qui peut ensuite être stocké en vue d’une utilisation ultérieure comme combustible pour générer de l’énergie électrique au sein d’une pile à combustible.Thus, a gaseous release of dihydrogen is produced at the level of the cathode which can then be stored for later use as fuel to generate electrical energy within a fuel cell.
Le dispositif de Becker etal.comporte en outre un réseau de refroidissement en eau du module photovoltaïque pour éviter un échauffement excessif de ce module sous l’effet du rayonnement solaire.The Becker et al. further comprises a photovoltaic module water cooling network to prevent excessive heating of this module under the effect of solar radiation.
Il existe un besoin continu pour un nouveau convertisseur photoélectrochimique, qui soit notamment de fabrication aisée.There is a continuing need for a new photoelectrochemical converter, which is particularly easy to manufacture.
L’invention propose un convertisseur photoélectrochimique comportant un module photovoltaïque et un module électrochimique comportant un bloc anodique, un bloc cathodique et une cellule d’électrolyse, prise en sandwich entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et qui est alimentée électriquement par le module photovoltaïque pour électrolyser de l’eau afin de générer du dihydrogène,
la cellule d’électrolyse délimitant avec le bloc cathodique une chambre cathodique et avec le bloc anodique une chambre anodique pour la circulation de fluide au contact de la cellule d’électrolyse,
le module électrochimique comportant un circuit de distribution d’eau débouchant à son aval dans la chambre anodique et comportant une portion d’échange thermique, pour échanger de la chaleur avec le module photovoltaïque, qui est disposée entre la chambre cathodique et le module photovoltaïque.The invention proposes a photoelectrochemical converter comprising a photovoltaic module and an electrochemical module comprising an anode block, a cathode block and an electrolysis cell, sandwiched between the anode block and the cathode block, and which is powered electrically by the module photovoltaic to electrolyze water to generate dihydrogen,
the electrolysis cell delimiting with the cathode block a cathode chamber and with the anode block an anode chamber for the circulation of fluid in contact with the electrolysis cell,
the electrochemical module comprising a water distribution circuit opening downstream into the anode chamber and comprising a heat exchange portion, for exchanging heat with the photovoltaic module, which is arranged between the cathode chamber and the photovoltaic module.
Grâce à l’invention, l’eau qui circule dans le circuit de distribution d’eau présente d’une part la fonction de liquide caloporteur, en échangeant de la chaleur le module photovoltaïque, et d’autre part de réactif pour l’électrolyse de l’eau. Comme cela apparaîtra plus en détail par la suite, le convertisseur photoélectrochimique selon l’invention est de fabrication aisée puisqu’il peut comporter un unique circuit de distribution d’eau pour à la fois l’échange thermique et l’alimentation en eau de la cellule d’électrolyse. En outre, l’échange thermique entre l’eau et le module photovoltaïque résultant de préférence en un refroidissement du module photovoltaïque et en un échauffement de l’eau, la cinétique de la réaction d’électrolyse est accélérée.Thanks to the invention, the water which circulates in the water distribution circuit has on the one hand the function of heat transfer liquid, by exchanging heat from the photovoltaic module, and on the other hand of reactant for the electrolysis. some water. As will appear in more detail subsequently, the photoelectrochemical converter according to the invention is easy to manufacture since it can comprise a single water distribution circuit for both the heat exchange and the water supply to the electrolysis cell. In addition, the heat exchange between the water and the photovoltaic module preferably resulting in a cooling of the photovoltaic module and in a heating of the water, the kinetics of the electrolysis reaction is accelerated.
De préférence, le bloc anodique et le bloc cathodique recouvrent ensemble intégralement la cellule d’électrolyse. De préférence, le bloc anodique et le bloc cathodique forment une enceinte hermétique dans laquelle la cellule d’électrolyse est logée, à l’exception des ouvertures ménagées pour introduire et extraire l’eau et pour extraire le dioxygène et le dihydrogène résultant de l’électrolyse de l’eau.Preferably, the anode block and the cathode block together completely cover the electrolysis cell. Preferably, the anode block and the cathode block form a hermetic enclosure in which the electrolysis cell is housed, with the exception of the openings provided for introducing and extracting water and for extracting the dioxygen and the dihydrogen resulting from the water electrolysis.
De préférence, le bloc cathodique est disposé entre le module photovoltaïque et le bloc anodique.Preferably, the cathode block is arranged between the photovoltaic module and the anode block.
De préférence, le module photovoltaïque recouvre, de préférence entièrement, le module électrochimique.Preferably, the photovoltaic module covers, preferably entirely, the electrochemical module.
De préférence, le circuit de distribution d’eau est ménagé au moins partiellement, voire intégralement, dans la masse du module électrochimique. On limite ainsi les risques de fuite d’eau au sein du module électrochimique.Preferably, the water distribution circuit is provided at least partially, or even entirely, in the mass of the electrochemical module. This limits the risk of water leaks within the electrochemical module.
Dans une variante, une portion du circuit de distribution d’eau peut être disposée entre le bloc anodique et le bloc cathodique, et être distante de la cellule d’électrolyse. Par exemple, ladite portion de distribution peut être un raccord tubulaire fixé par chacune de ses extrémités à des ouvertures ménagées dans le bloc cathodique et dans le bloc anodique respectivement, notamment dans une variante où la cellule photovoltaïque est non superposée avec la cellule électrolytique.Alternatively, a portion of the water distribution circuit can be arranged between the anode block and the cathode block, and be remote from the electrolysis cell. For example, said distribution portion may be a tubular connector fixed by each of its ends to openings made in the cathode block and in the anode block respectively, in particular in a variant where the photovoltaic cell is not superposed with the electrolytic cell.
De préférence, la portion d’échange thermique est ménagée dans la masse du bloc cathodique.Preferably, the heat exchange portion is provided in the mass of the cathode block.
La portion d’échange thermique peut être une chambre, par exemple de forme parallélépipèdique. De préférence, la portion d’échange thermique comporte au moins un, de préférence plusieurs conduits d’échange thermique, afin d’augmenter la surface d’échange thermique avec le module photovoltaïque.The heat exchange portion may be a chamber, for example of parallelepipedal shape. Preferably, the heat exchange portion comprises at least one, preferably several heat exchange ducts, in order to increase the heat exchange surface with the photovoltaic module.
Le ou les conduits d’échange thermique peuvent présenter un diamètre compris entre 1 mm et 10 mm, afin de favoriser la turbulence de l’écoulement et l’échange thermique.The heat exchange duct(s) may have a diameter of between 1 mm and 10 mm, in order to promote flow turbulence and heat exchange.
Le ou les conduits d’échange thermique peuvent être rectilignes, curvilignes ou méandriformes.The heat exchange duct(s) can be straight, curvilinear or meandering.
Les conduits d’échange thermique peuvent s’étendre parallèlement les uns aux autres.The heat exchange ducts may extend parallel to each other.
Les conduits d’échange thermique peuvent s’étendre parallèlement à la face du module photovoltaïque en regard du module électrochimique.The heat exchange ducts can extend parallel to the face of the photovoltaic module facing the electrochemical module.
De préférence, la portion d’échange thermique, de préférence le ou les conduits d’échange thermique, est distante de moins de 5 mm du module photovoltaïque.Preferably, the heat exchange portion, preferably the heat exchange conduit(s), is less than 5 mm from the photovoltaic module.
Afin de distribuer en parallèle l’eau dans les différents conduits d’échange thermique, la portion d’échange thermique comporte de préférence une chambre de distribution et une chambre de collecte, chaque conduit d’échange thermique débouchant à son amont dans la chambre de distribution et à son aval dans la chambre de collecte. De préférence, la chambre de distribution et la chambre de collecte sont ménagées dans la masse du bloc cathodique.In order to distribute the water in parallel in the various heat exchange ducts, the heat exchange portion preferably comprises a distribution chamber and a collection chamber, each heat exchange duct opening upstream into the heat exchange chamber. distribution and downstream in the collection chamber. Preferably, the distribution chamber and the collection chamber are made in the mass of the cathode block.
De préférence, le circuit de distribution comporte un conduit d’introduction débouchant à son amont par une ouverture d’entrée d’eau ménagée dans le bloc anodique et à son aval dans la portion d’échange thermique, de préférence par une ouverture ménagée dans la chambre de distribution.Preferably, the distribution circuit comprises an introduction duct opening upstream thereof through a water inlet opening provided in the anode block and downstream into the heat exchange portion, preferably through an opening provided in the distribution chamber.
L’ouverture d’entrée d’eau peut déboucher sur la face du bloc anodique opposée au module photovoltaïque et/ou au bloc cathodique. Le module électrochimique peut présenter un fond, de préférence opposé au module photovoltaïque, et une face latérale qui s’étend à partir du fond, de préférence jusqu’au module photovoltaïque. Dans une variante, l’ouverture d’entrée d’eau peut déboucher sur la face latérale du module électrochimique. La face latérale du module électrochimique peut être une face du bloc anodique.The water inlet opening can lead to the face of the anode block opposite the photovoltaic module and/or the cathode block. The electrochemical module may have a bottom, preferably opposite the photovoltaic module, and a side face which extends from the bottom, preferably as far as the photovoltaic module. Alternatively, the water inlet opening can lead to the side face of the electrochemical module. The side face of the electrochemical module can be a face of the anode block.
Le conduit d’introduction peut être délimité en partie par une portion tubulaire débouchant par l’ouverture d’entrée d’eau et qui fait saillie de la face du bloc anodique opposée au module photovoltaïque.The introduction duct may be delimited in part by a tubular portion emerging through the water inlet opening and which protrudes from the face of the anode block opposite the photovoltaic module.
De préférence, le conduit d’introduction traverse le bloc anodique et la cellule d’électrolyse de part en part selon leurs épaisseurs respectives.Preferably, the introduction duct crosses the anode block and the electrolysis cell right through according to their respective thicknesses.
Le conduit d’introduction est de préférence délimité, au moins en partie, par les parois de trous traversants coaxiaux ménagés dans les épaisseurs respectives du bloc cathodique et de la cellule d’électrolyse.The introduction duct is preferably delimited, at least in part, by the walls of coaxial through-holes made in the respective thicknesses of the cathode block and of the electrolysis cell.
Le circuit de distribution comporte de préférence un conduit de distribution anodique qui débouche à son amont dans la portion d’échange thermique, de préférence dans la chambre de collecte, et à son aval dans le compartiment anodique.The distribution circuit preferably comprises an anode distribution duct which opens upstream into the heat exchange portion, preferably into the collection chamber, and downstream into the anode compartment.
Le conduit de distribution anodique peut comporter, en succession et de son amont vers son aval, une portion ménagée dans la masse du bloc cathodique, une portion ménagée dans la cellule d’électrolyse qui traverse la cellule d’électrolyse de part en part dans son épaisseur, et une portion ménagée dans la masse du bloc anodique.The anode distribution duct may comprise, in succession and from its upstream to its downstream, a portion formed in the mass of the cathode block, a portion formed in the electrolysis cell which crosses the electrolysis cell right through in its thickness, and a portion formed in the mass of the anode block.
Selon une première variante préférée, la portion ménagée dans la masse du bloc anodique débouche à son aval dans la chambre anodique. Notamment, la portion ménagée dans la masse du bloc anodique peut être délimitée par une paroi faisant saillie de la face du bloc anodique opposée à la cellule d’électrolyse.According to a first preferred variant, the portion formed in the mass of the anode block opens downstream into the anode chamber. In particular, the portion formed in the mass of the anode block can be delimited by a wall projecting from the face of the anode block opposite the electrolysis cell.
Selon une deuxième variante, le conduit de distribution peut comporter :
- une première portion ménagée dans la masse du module électrochimique, débouchant à son amont dans la portion d’échange thermique et à son aval par une première ouverture sur la face du bloc anodique opposée à la cellule d’électrolyse, et
- une deuxième portion ménagée dans la masse du module électrochimique, débouchant à son aval dans la chambre anodique et à son amont par une deuxième ouverture sur ladite face du bloc anodique, les première et deuxième portions étant en communication de fluide par un raccord, de préférence tubulaire, dont les extrémités opposées sont fixées respectivement aux première et deuxième ouvertures.According to a second variant, the distribution duct may comprise:
- a first portion formed in the mass of the electrochemical module, opening upstream into the heat exchange portion and downstream through a first opening on the face of the anode block opposite the electrolysis cell, and
- a second portion formed in the mass of the electrochemical module, opening downstream into the anode chamber and upstream through a second opening on said face of the anode block, the first and second portions being in fluid communication by a connection, preferably tubular, the opposite ends of which are fixed respectively to the first and second openings.
Par ailleurs, le bloc anodique peut comporter un conduit de purge anodique, pour l’évacuation de l’eau et du dioxygène formé par réaction anodique, qui débouche à son amont dans la chambre anodique et à son aval par une ouverture de purge anodique formée sur une face du bloc anodique, de préférence sur la face opposée à la cellule d’électrolyse.Furthermore, the anode block may comprise an anode purge pipe, for the evacuation of the water and of the oxygen formed by the anode reaction, which opens upstream into the anode chamber and downstream into an anode purge opening formed on one face of the anode block, preferably on the face opposite the electrolytic cell.
Le bloc anodique peut comporter un évidement anodique ménagé sur la face en regard de la cellule d’électrolyse, et distant de la cellule d’électrolyse, de façon à former, avec la cellule d’électrolyse, la chambre anodique pour la mise en contact de l’eau avec la cellule d’électrolyse.The anode block may include an anode recess provided on the face facing the electrolysis cell, and remote from the electrolysis cell, so as to form, with the electrolysis cell, the anode chamber for contacting water with the electrolytic cell.
Le bloc anodique peut comporter sur la face en regard de la cellule d’électrolyse, un ou plusieurs reliefs qui font saillie de l’évidement anodique et qui forment au moins un canal pour distribuer l’eau dans la chambre anodique de manière homogène sur la cellule d’électrolyse.The anode block may comprise on the face facing the electrolysis cell, one or more reliefs which protrude from the anode recess and which form at least one channel for distributing the water in the anode chamber in a homogeneous manner over the electrolysis cell.
Le bloc anodique comporte de préférence une paroi de fond et une paroi latérale s’étendant à partir de la paroi de fond et qui délimite une cavité dans laquelle la cellule d’électrolyse et, de préférence, le bloc cathodique sont logés. L’évidement anodique est de préférence formé dans la face de la paroi de fond du bloc anodique qui délimite la cavité.The anode block preferably comprises a bottom wall and a side wall extending from the bottom wall and which delimits a cavity in which the electrolysis cell and, preferably, the cathode block are housed. The anode recess is preferably formed in the face of the bottom wall of the anode block which delimits the cavity.
Le bloc anodique peut comporter un boitier et une plaque d’écoulement anodique logée dans le boitier et au contact de la cellule d’électrolyse, et qui portent lesdits reliefs. La plaque d’écoulement est de préférence au contact du boitier.The anode block may comprise a casing and an anode flow plate housed in the casing and in contact with the electrolysis cell, and which carry said reliefs. The flow plate is preferably in contact with the housing.
Le bloc anodique peut être en un matériau céramique, thermoplastique ou métallique. Selon la variante où le bloc anodique est en un matériau métallique, le module électrochimique comporte un organe d’isolation électrique disposé entre le bloc anodique et le bloc cathodique.The anode block can be made of a ceramic, thermoplastic or metallic material. According to the variant where the anode block is made of a metallic material, the electrochemical module comprises an electrical insulation member arranged between the anode block and the cathode block.
Le convertisseur photoélectrochimique pouvant être soumis aux aléas climatiques en extérieur, le bloc anodique est de préférence en matériau inoxydable et/ou résistant aux ultraviolet. Par exemple, il peut être en polyamide, notamment en PA11 et/ou en PA12, ou en un alliage d’aluminium, ou en acier inoxydable.Since the photoelectrochemical converter can be subjected to the vagaries of the weather outdoors, the anode block is preferably made of a stainless and/or ultraviolet-resistant material. For example, it may be made of polyamide, in particular PA11 and/or PA12, or of an aluminum alloy, or of stainless steel.
Le bloc anodique peut présenter une forme générale parallélépipèdique. La longueur et/ou la largeur du bloc anodique peuvent être supérieures à 5 cm, par exemple de 20 cm, voire de 60 cm. La longueur et la larguer du bloc anodique peuvent être égales. L’épaisseur du bloc anodique peut être comprise entre 1 cm et 50 cm.The anode block may have a generally parallelepipedal shape. The length and/or the width of the anode block can be greater than 5 cm, for example 20 cm, or even 60 cm. The length and the width of the anode block can be equal. The thickness of the anode block can be between 1 cm and 50 cm.
Le bloc cathodique peut être en un matériau céramique, thermoplastique ou métallique. De préférence, le bloc cathodique est en un matériau électriquement conducteur, de préférence métallique. Ainsi, le bloc cathodique peut relier électriquement le module photovoltaïque à la cellule d’électrolyse. En outre, un bloc cathodique métallique favorise l’échange thermique avec le module photovoltaïque. En particulier, le bloc cathodique peut être choisi parmi un alliage d’aluminium, un acier, notamment inoxydable et un alliage de nickel.The cathode block can be made of a ceramic, thermoplastic or metallic material. Preferably, the cathode block is made of an electrically conductive material, preferably metallic. Thus, the cathode block can electrically connect the photovoltaic module to the electrolysis cell. In addition, a metallic cathode block promotes heat exchange with the photovoltaic module. In particular, the cathode block can be chosen from an aluminum alloy, a steel, in particular stainless steel and a nickel alloy.
Le bloc cathodique peut comporter au moins un évidement cathodique formé dans la partie de sa face en regard de la cellule d’électrolyse, les faces de l’évidement cathodique et la cellule d’électrolyse délimitant la chambre cathodique.The cathode block may comprise at least one cathode recess formed in the part of its face facing the electrolysis cell, the faces of the cathode recess and the electrolysis cell delimiting the cathode chamber.
Un réseau en relief peut faire saillie du fond de l’évidement cathodique. Il peut être formé par l’intersection de premier et deuxième ensembles de rainures parallèles, les rainures du premier ensemble étant de préférence perpendiculaires aux rainures du deuxième ensemble.A raised grating may protrude from the bottom of the cathode recess. It can be formed by the intersection of first and second sets of parallel grooves, the grooves of the first set being preferably perpendicular to the grooves of the second set.
Par ailleurs, le module photoélectrochimique peut comporter un conduit de purge cathodique, pour évacuer le dihydrogène hors du module électrochimique, qui débouche à son amont dans la chambre cathodique et à son aval hors du module électrochimique par une ouverture de purge cathodique. L’ouverture de purge cathodique peut être formée sur une face du bloc anodique, de préférence sur la face opposée à la cellule d’électrolyse. Le conduit de purge cathodique peut traverser de part en part la cellule d’électrolyse ainsi que le bloc anodique. En variante, l’ouverture de purge cathodique peut être formée sur la paroi latérale du module électrochimique. Notamment, le conduit de purge cathodique peut être à distance de la membrane électrolytique et/ou du boitier anodique.Furthermore, the photoelectrochemical module may include a cathodic purge conduit, to evacuate the dihydrogen out of the electrochemical module, which opens upstream into the cathodic chamber and downstream out of the electrochemical module through a cathodic purge opening. The cathodic purge opening can be formed on one side of the anode block, preferably on the side opposite the electrolysis cell. The cathodic purge pipe can pass right through the electrolysis cell as well as the anode block. Alternatively, the cathodic purge opening may be formed on the side wall of the electrochemical module. In particular, the cathodic purge pipe can be at a distance from the electrolytic membrane and/or from the anode casing.
De préférence, l’ouverture de purge cathodique, l’ouverture de purge anodique et l’ouverture d’entrée d’eau débouchent sur une même face du module électrochimique, qui peut être une face du bloc anodique, par exemple opposée au module photovoltaïque, ou être une face latérale du module électrochimique. Avantageusement, l'ensemble des moyens de connexion pour introduire l'eau et extraire les produits de la réaction d'hydrolyse peuvent être disposés d'un même côté du convertisseur photoélectrochimique.Preferably, the cathodic purge opening, the anode purge opening and the water inlet opening open onto the same face of the electrochemical module, which may be a face of the anode block, for example opposite the photovoltaic module. , or be a side face of the electrochemical module. Advantageously, all of the connection means for introducing the water and extracting the products of the hydrolysis reaction can be arranged on the same side of the photoelectrochemical converter.
Le bloc anodique et/ou le bloc cathodique peuvent être obtenus par moulage et/ou usinage d’une masse, notamment selon la deuxième variante.The anode block and/or the cathode block can be obtained by molding and/or machining a mass, in particular according to the second variant.
De préférence, et en particulier selon la première variante, le bloc anodique et/ou le bloc cathodique sont obtenus par une technique de fabrication additive. Avantageusement, outre le fait que le bloc anodique et/ou le bloc cathodique peuvent présenter des formes complexes qui sont difficiles, voire impossibles, à obtenir par moulage, la fabrication additive du bloc anodique et/ou du bloc cathodique permet de simplifier le montage du module électrochimique et en outre permet de réduire les assemblages complexes au moyen de divers raccords et joints d’étanchéité, ce qui limite les risques de fuite de l’eau hors du module électrochimique.Preferably, and in particular according to the first variant, the anode block and/or the cathode block are obtained by an additive manufacturing technique. Advantageously, in addition to the fact that the anode block and/or the cathode block can have complex shapes which are difficult, or even impossible, to obtain by molding, the additive manufacturing of the anode block and/or the cathode block makes it possible to simplify the assembly of the electrochemical module and further reduces complex assemblies by means of various fittings and seals, which limits the risk of water leaking out of the electrochemical module.
La technique de fabrication additive peut être choisie parmi :
- une technique de « dépôt direct de métal » connue sous l’acronyme « DMD »,
- une technique de « dépôt arc-fil » connue sous l’abréviation « WAAM », acronyme anglais de « Wire and Arc Additive Manufacturing »,
- une technique d’impression 3D, notamment choisie parmi l’impression par projection de liant sur lit de poudre connue sous le nom anglais de « Binder Jetting », la fusion laser sur lit de poudres dénommée « L-PBF », acronyme anglais de « Laser Powder Bed Fusion » , la fusion par faisceau d’électrons dénommée « EBM », acronyme anglais de « Electron Beam Melting », la projection de liant sur lit de poudre « MJF », acronyme anglais de « Multi Jet Fusion » et le dépôt de fils fondus « FDM », acronyme anglais de « Fused Deposition Modeling »,
- une technique lithographique, notamment choisie parmi la fabrication de céramique à base de lithographie « LCM », acronyme anglais de « Lithography-based Ceramic Manufacturing » et la fabrication de métal à base de lithographie « LMM », acronyme anglais de « Lithography-based metal Manufacturing ».The additive manufacturing technique can be chosen from:
- a “direct metal deposition” technique known by the acronym “DMD”,
- an “arc-wire deposition” technique known by the abbreviation “WAAM”, English acronym for “Wire and Arc Additive Manufacturing”,
- a 3D printing technique, chosen in particular from printing by projection of binder on a bed of powder known under the English name of "Binder Jetting", laser fusion on a bed of powders called "L-PBF", English acronym of "Laser Powder Bed Fusion", the fusion by electron beam called "EBM", English acronym for "Electron Beam Melting", the projection of binder on a powder bed "MJF", English acronym for "Multi Jet Fusion" and the deposition of fused wires "FDM", English acronym for "Fused Deposition Modeling",
- a lithographic technique, in particular chosen from the manufacture of ceramics based on “LCM” lithography, English acronym for “Lithography-based Ceramic Manufacturing” and the manufacture of metal based on “LMM” lithography, English acronym for “Lithography-based Metal Manufacturing”.
De préférence, la cellule d’électrolyse et le bloc cathodique sont logés, en particulier entièrement, dans le bloc anodique.Preferably, the electrolysis cell and the cathode block are housed, in particular entirely, in the anode block.
De préférence la cellule d’électrolyse comporte une couche catalytique anodique, une couche catalytique cathodique et une membrane électrolytique prise en sandwich entre la couche d’anode et la couche de cathode.Preferably, the electrolysis cell comprises an anodic catalytic layer, a cathodic catalytic layer and an electrolytic membrane sandwiched between the anode layer and the cathode layer.
De préférence, la couche catalytique anodique et la couche catalytique cathodique sont en contact de la membrane électrolytique.Preferably, the anodic catalytic layer and the cathodic catalytic layer are in contact with the electrolytic membrane.
La cellule d’électrolyse peut comporter une couche de diffusion de gaz anodique et une couche de diffusion de gaz cathodique qui prennent en sandwich la couche catalytique anodique et la couche catalytique cathodique. De préférence, la couche de diffusion de gaz anodique est au contact de la couche catalytique anodique et la couche de diffusion de gaz cathodique est au contact de la couche catalytique cathodique.The electrolysis cell may include an anodic gas diffusion layer and a cathodic gas diffusion layer which sandwich the anodic catalytic layer and the cathodic catalytic layer. Preferably, the anodic gas diffusion layer is in contact with the anodic catalytic layer and the cathodic gas diffusion layer is in contact with the cathodic catalytic layer.
L’épaisseur de la cellule d’électrolyse peut être comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm.The thickness of the electrolysis cell can be between 0.01 mm and 0.5 mm.
Le module photovoltaïque est configuré pour convertir un rayonnement lumineux en courant électrique. Le module photovoltaïque est de préférence fixé, notamment collé au moyen d’une pate électriquement conductrice, sur le bloc cathodique.The photovoltaic module is configured to convert light radiation into electric current. The photovoltaic module is preferably fixed, in particular glued by means of an electrically conductive paste, to the cathode block.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et du dessin dans lequel :The invention can be better understood on reading the detailed description which follows and the drawing in which:
On a illustré sur les figures 1 à 5 un exemple de convertisseur photoélectrochimique 5 selon l’invention. Le convertisseur 5 comprend un module électrochimique 10 un module photovoltaïque 15 monté sur le module électrochimique.There is illustrated in Figures 1 to 5 an example of photoelectrochemical converter 5 according to the invention. The converter 5 comprises an electrochemical module 10 a photovoltaic module 15 mounted on the electrochemical module.
Le module électrochimique 10 et le module photovoltaïque 15 présentent des formes générales sensiblement parallélépèdiques.The electrochemical module 10 and the photovoltaic module 15 have substantially parallelepedic general shapes.
Le module électrochimique comporte un bloc anodique 20, un bloc cathodique 25 et une cellule d’électrolyse 30 disposée entre le bloc anodique 20 et le bloc cathodique 25.The electrochemical module comprises an anode block 20, a cathode block 25 and an electrolysis cell 30 arranged between the anode block 20 and the cathode block 25.
Le module photovoltaïque 10 est relié électriquement à la cellule d’électrolyse 30, par des moyens non représentés par souci de clarté du dessin. Ainsi, lorsque le module photovoltaïque 15 est illuminé par un rayonnement lumineux L, notamment solaire, atteignant sa face 35 opposée au modulé électrochimique, il alimente électriquement la cellule d’électrolyse 30, permettant la génération de dihydrogène par électrolyse de l’eau.The photovoltaic module 10 is electrically connected to the electrolysis cell 30, by means not shown for the sake of clarity of the drawing. Thus, when the photovoltaic module 15 is illuminated by light radiation L, in particular solar radiation, reaching its face 35 opposite the electrochemical module, it electrically supplies the electrolysis cell 30, allowing the generation of dihydrogen by electrolysis of water.
La cellule d'électrolyse comporte une membrane électrolytique 40, qui est recouverte sur chacune de ses faces opposées par une couche catalytique d’anode et une couche catalytique de cathode, qui sont elles-mêmes prises en sandwich par une couche de diffusion de gaz anodique 45 et une couche de diffusion de gaz cathodique 50.The electrolysis cell comprises an electrolytic membrane 40, which is covered on each of its opposite faces by an anode catalytic layer and a cathode catalytic layer, which are themselves sandwiched by an anode gas diffusion layer. 45 and a cathodic gas diffusion layer 50.
Le bloc anodique 20 et le bloc cathodique 25 présentent un évidement anodique 55 et un évidement cathodique 60 qui font chacun face à la cellule d'électrolyse et définissent une chambre anodique 65 et une chambre cathodique 70 respectivement.The anode block 20 and the cathode block 25 have an anode recess 55 and a cathode recess 60 which each face the electrolysis cell and define an anode chamber 65 and a cathode chamber 70 respectively.
Comme cela apparaîtra par la suite, l'eau introduite dans la chambre anodique est oxydée au contact de la couche catalytique d’anode en ions hydrogène et en dioxygène. En particulier, la surface de la couche catalytique d’anode utile à la réaction de réduction de l'eau peut être comprise entre 35*35 mm2et 18*18 mm2.As will appear subsequently, the water introduced into the anode chamber is oxidized on contact with the catalytic anode layer into hydrogen ions and oxygen. In particular, the surface of the catalytic anode layer useful for the water reduction reaction can be between 35*35 mm 2 and 18*18 mm 2 .
Les ions hydrogène ainsi formés transitent à travers la membrane électrolytique jusqu'à la couche catalytique de cathode où ils sont oxydés, ce qui résulte dans la génération de dihydrogène gazeux dans la chambre cathodique.The hydrogen ions thus formed pass through the electrolyte membrane to the catalytic cathode layer where they are oxidized, which results in the generation of hydrogen gas in the cathode chamber.
Le bloc anodique présente une paroi de fond 75 et une paroi latérale 80 qui s’étend à partir de la paroi de fond et qui définit une cavité 85 dans laquelle la cellule d’électrolyse 30 et le bloc cathodique sont entièrement logés. Autrement dit, la paroi latérale ceinture entièrement les faces latérales 90 de la cellule d’électrolyse et 95 du bloc cathodique.The anode block has a bottom wall 75 and a side wall 80 which extends from the bottom wall and which defines a cavity 85 in which the electrolysis cell 30 and the cathode block are fully housed. In other words, the side wall completely surrounds the side faces 90 of the electrolysis cell and 95 of the cathode block.
Par ailleurs, le module électrochimique 10 comporte un circuit de distribution d'eau, qui est ménagé dans sa masse.Furthermore, the electrochemical module 10 comprises a water distribution circuit, which is arranged in its mass.
Le module électrochimique comporte, sur la face du bloc anodique opposé au module photovoltaïque, une ouverture d'entrée d’eau 100 pour alimenter le module électrochimique en eau à travers le circuit de distribution d'eau.The electrochemical module comprises, on the face of the anode block opposite the photovoltaic module, a water inlet opening 100 to supply the electrochemical module with water through the water distribution circuit.
Le circuit de distribution d'eau s'étend à son amont depuis l'ouverture d'entrée d'eau 100 jusqu'à la chambre anodique 65 à son aval.The water distribution circuit extends upstream from the water inlet opening 100 to the anode chamber 65 downstream.
Le circuit de distribution d'eau comporte, d’amont en aval, un conduit d'introduction 105, une portion d'échange thermique 110 qui est formé dans la masse du bloc cathodique et un conduit de distribution anodique 115.The water distribution circuit comprises, from upstream to downstream, an introduction conduit 105, a heat exchange portion 110 which is formed in the mass of the cathode block and an anode distribution conduit 115.
Le conduit d’introduction s'étend selon l'épaisseur du module électrochimique entre l'ouverture d'entrée d'eau 100 et la portion d’échange thermique 110. Il présente une forme d'un trou de section circulaire qui traverse la paroi de fond 75 du bloc anodique et la cellule d'électrolyse, de part en part de leurs épaisseurs respectives, et est prolongé dans le bloc cathodique 25 où il débouche dans la portion d’échange thermique 110.The introduction duct extends along the thickness of the electrochemical module between the water inlet opening 100 and the heat exchange portion 110. It has the shape of a circular section hole which passes through the wall bottom 75 of the anode block and the electrolysis cell, right through their respective thicknesses, and is extended into the cathode block 25 where it opens into the heat exchange portion 110.
La portion d’échange thermique comporte en succession et d’amont vers l’aval, une chambre de distribution 120, des conduits d'échange thermique 125 disposés fluidiquement en parallèle et une chambre de collecte 130.The heat exchange portion comprises in succession and from upstream to downstream, a distribution chamber 120, heat exchange ducts 125 arranged fluidically in parallel and a collection chamber 130.
La chambre de distribution 120 et la chambre de collecte 130 s’étendent chacune selon la hauteur et la largeur du bloc cathodique et forment ainsi des réservoirs pour alimenter en eau chacun des conduits d'échange thermique collecter l’eau en sortant respectivement.The distribution chamber 120 and the collection chamber 130 each extend according to the height and the width of the cathode block and thus form reservoirs for supplying water to each of the heat exchange conduits to collect the water leaving respectively.
Les conduits d'échange thermique 125 sont rectilignes et s'étendent parallèlement les uns aux autres. Ils peuvent présenter, une section transverse de forme variée, par exemple circulaire, elliptique, voire carrée comme illustré. Le diamètre des canaux, mesuré sur la section transverse d'un canal, peut être compris entre 1 mm et 10 mm. La portion d'échange thermique peut comporter entre 1 et 5 conduits d’échange thermique par centimètre, mesuré selon un axe perpendiculaire à direction d’extension desdits conduits et dans le plan qui contient lesdits conduits.The heat exchange ducts 125 are straight and extend parallel to each other. They may have a cross-section of various shapes, for example circular, elliptical, or even square as illustrated. The diameter of the channels, measured on the transverse section of a channel, can be between 1 mm and 10 mm. The heat exchange portion may include between 1 and 5 heat exchange ducts per centimeter, measured along an axis perpendicular to the direction of extension of said ducts and in the plane which contains said ducts.
Dans une variante non représentée, la portion d'échange thermique peut comporter un unique conduit d’échange thermique qui présente par exemple une forme de serpentin s'étendant dans un plan médian du bloc cathodique entre la chambre de distribution et la chambre de collecte.In a variant not shown, the heat exchange portion may comprise a single heat exchange conduit which, for example, has the shape of a serpentine extending in a median plane of the cathode block between the distribution chamber and the collection chamber.
Les conduits d'échange thermique s'étendent parallèlement à la face 135 du bloc cathodique au contact du module photovoltaïque. La distancedentre la portion d'échange thermique et le module photovoltaïque est de préférence comprise entre 0,5 mm et 5 mm, de manière à refroidir efficacement le module photovoltaïque sans risque de fuite.The heat exchange conduits extend parallel to face 135 of the cathode block in contact with the photovoltaic module. The distance d between the heat exchange portion and the photovoltaic module is preferably between 0.5 mm and 5 mm, so as to effectively cool the photovoltaic module without risk of leakage.
Par ailleurs, le conduit de distribution anodique 115 s'étend depuis la chambre de collecte 130, à son amont, jusqu'à la chambre anodique 65 à son aval. Il comporte une portion 140 qui s'étend à travers l'épaisseur du module électrochimique, et traverse la masse du bloc cathodique et la cellule d'électrolyse de part en part dans son épaisseur. Cette portion 140 est prolongée par une autre portion 145, formée dans la masse du bloc anodique, qui débouche à son aval dans la chambre anodique 65. La portion 145 formée dans la masse du bloc anodique s’étend sensiblement parallèlement à la face extérieure 150 de la paroi de fond 75 du bloc anodique, qui est opposée à la cellule d’électrolyse. Elle est délimitée par une paroi 155 qui fait saillie de ladite face extérieure.Furthermore, the anode distribution duct 115 extends from the collection chamber 130, upstream thereof, to the anode chamber 65 downstream thereof. It comprises a portion 140 which extends through the thickness of the electrochemical module, and passes through the mass of the cathode block and the electrolysis cell right through in its thickness. This portion 140 is extended by another portion 145, formed in the mass of the anode block, which opens downstream into the anode chamber 65. The portion 145 formed in the mass of the anode block extends substantially parallel to the outer face 150 of the bottom wall 75 of the anode block, which is opposite the electrolysis cell. It is delimited by a wall 155 which protrudes from said outer face.
Ainsi, l'eau qui est introduite dans le circuit de distribution par l'ouverture d'entrée d'eau circule à travers le conduit d'introduction en traversant le bloc anodique, la cellule d'électrolyse et le bloc cathodique, comme indiqué par les flèchesE. Elle est ensuite distribuée dans les différents conduits d'échange thermique, où elle est réchauffée par la chaleur dégagée par le module photovoltaïque. Par exemple, l’augmentation de la température d'eau, après avoir traversé la portion d'échange thermique, est d’environ 6 °C, pour un module photovoltaïque présentant une aire de captation de lumière d’environ 45 cm2. L'eau ainsi réchauffée est ensuite transférée de la portion d'échange thermique jusqu'à la chambre anodique à travers le conduit de distribution anodique. La chaleur qu'elle transporte permet ainsi d'accélérer la cinétique d’électrolyse.Thus, the water which is introduced into the distribution circuit by the water inlet opening circulates through the introduction pipe passing through the anode block, the electrolysis cell and the cathode block, as indicated by arrows E. It is then distributed in the various heat exchange ducts, where it is heated by the heat given off by the photovoltaic module. For example, the increase in water temperature, after passing through the heat exchange portion, is approximately 6° C., for a photovoltaic module having a light collection area of approximately 45 cm 2 . The water thus heated is then transferred from the heat exchange portion to the anode chamber through the anode distribution conduit. The heat that it transports thus makes it possible to accelerate the kinetics of electrolysis.
Par ailleurs, le bloc anodique comporte un conduit de purge anodique 160 qui permet d'évacuer l'eau en excès présente dans la chambre anodique ainsi que le dioxygène formé par la réaction d'hydrolyse de l'eau. Le circuit de purge anodique met en communication de fluide la chambre anodique avec l'environnement extérieur du module électrochimique à travers une ouverture de purge anodique 165 disposée sur la face extérieure 150. Le module électrochimique comporte en outre un circuit de purge cathodique 170 pour évacuer le dihydrogène gazeux formé à la cathode par la rédaction d'hydrolyse de l'eau. Le circuit de purge cathodique relie la chambre cathodique 70 à une ouverture de purge cathodique 175 formée sur la face extérieure 150.Furthermore, the anode block comprises an anode purge conduit 160 which makes it possible to evacuate the excess water present in the anode chamber as well as the oxygen formed by the hydrolysis reaction of the water. The anode purge circuit puts the anode chamber in fluid communication with the external environment of the electrochemical module through an anode purge opening 165 arranged on the exterior face 150. The electrochemical module further comprises a cathode purge circuit 170 to evacuate the dihydrogen gas formed at the cathode by drafting hydrolysis of water. The cathode purge circuit connects the cathode chamber 70 to a cathode purge opening 175 formed on the exterior face 150.
Le bloc anodique 20 illustré sur la
Dans la variante illustrée sur les figures 7 et 8, le bloc anodique est monolithique. Autrement dit, le boitier et la plaque d'écoulement anodique viennent ensemble de matière, et l'évidement est formé sur la face du bloc anodique en regard de la cellule d'électrolyse.In the variant illustrated in FIGS. 7 and 8, the anode block is monolithic. In other words, the casing and the anode flow plate come together in material, and the recess is formed on the face of the anode block facing the electrolysis cell.
Des reliefs 190 font saillie de l’évidement ils sont en contact de la cellule d'électrolyse. Ils définissent des canaux 195 pour distribuer l'eau de manière homogène au sein de la chambre anodique de manière à maximiser la surface de la cellule d'électrolyse recouverte d'eau. Comme cela est illustré sur la
Quant au bloc cathodique, il comporte un réseau en relief 198 faisant saillie du fond de l’évidement cathodique, qui est formé par l’intersection de premier et deuxième ensembles de rainures parallèles, les rainures du premier ensemble étant de préférence parallèles aux rainures du deuxième ensemble. Le réseau en relief 198 est au contact de la cellule d’électrolyse. Il permet une diffusion efficace du dihydrogène et maintient rigidement la cellule d’électrolyse contre le bloc cathodique et favorise une bonne distribution du courant électrique à la surface de la cathode.As for the cathode block, it comprises a network in relief 198 protruding from the bottom of the cathode recess, which is formed by the intersection of first and second sets of parallel grooves, the grooves of the first set being preferably parallel to the grooves of the second set. The relief network 198 is in contact with the electrolysis cell. It allows efficient diffusion of dihydrogen and rigidly holds the electrolysis cell against the cathode block and promotes good distribution of the electric current on the surface of the cathode.
La
Dans l’exemple illustré sur la
Comme cela apparaît à la lecture de la présente description, l’invention permet de simplifier la conception du convertisseur photoélectrochimique et d’accélérer la cinétique d’électrolyse de l’eau.As appears on reading the present description, the invention makes it possible to simplify the design of the photoelectrochemical converter and to accelerate the kinetics of water electrolysis.
L’invention n’est bien évidemment pas limitée aux exemples présentés à titre illustratif et non limitatif.
The invention is obviously not limited to the examples presented by way of non-limiting illustration.
Claims (15)
la cellule d’électrolyse délimitant avec le bloc cathodique une chambre cathodique (70) et avec le bloc anodique une chambre anodique (65) pour la circulation de fluide au contact de la cellule d’électrolyse,
le module électrochimique comportant un circuit de distribution d’eau débouchant à son aval dans la chambre anodique et comportant une portion d’échange thermique (110), pour échanger de la chaleur avec le module photovoltaïque (15), qui est disposée entre la chambre cathodique et le module photovoltaïque.Photoelectrochemical converter (5) comprising a photovoltaic module (15) and an electrochemical module (10) comprising an anode block (20), a cathode block (25) and an electrolysis cell (30), sandwiched between the anode block and the cathode block, and which is electrically powered by the photovoltaic module to electrolyze water in order to generate dihydrogen,
the electrolysis cell delimiting with the cathode block a cathode chamber (70) and with the anode block an anode chamber (65) for the circulation of fluid in contact with the electrolysis cell,
the electrochemical module comprising a water distribution circuit opening downstream into the anode chamber and comprising a heat exchange portion (110), for exchanging heat with the photovoltaic module (15), which is arranged between the chamber cathode and the photovoltaic module.
un conduit de purge anodique (160), pour l’évacuation de l’eau et du dioxygène formé par réaction à l’anode, qui débouche à son amont dans la chambre anodique (65) et à son aval par une ouverture de purge anodique (165) formée sur une face (150) du bloc anodique.Converter according to any one of the preceding claims, the photoelectrochemical module comprising a cathodic purge conduit (170), to evacuate the dihydrogen from the electrochemical module, which opens upstream into the cathodic chamber (70) and downstream from the electrochemical module by a cathode purge opening (175), for example formed on a face (150) of the anode block, and
an anode purge conduit (160), for the evacuation of the water and the dioxygen formed by reaction to the anode, which opens upstream into the anode chamber (65) and downstream into an anode purge opening (165) formed on one face (150) of the anode block.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2110451A FR3127763B1 (en) | 2021-10-04 | 2021-10-04 | Photoelectrochemical converter for the production of dihydrogen. |
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Applications Claiming Priority (2)
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| FR2110451 | 2021-10-04 | ||
| FR2110451A FR3127763B1 (en) | 2021-10-04 | 2021-10-04 | Photoelectrochemical converter for the production of dihydrogen. |
Publications (2)
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| US20070246370A1 (en) * | 2004-10-18 | 2007-10-25 | Frank Dimroth | Device and Method for Photovoltaic Generation of Hydrogen |
| WO2012044891A2 (en) * | 2010-09-30 | 2012-04-05 | University Of Delaware | Devices and methods for increasing solar hydrogen conversion efficiency in photovoltaic electrolysis |
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-
2022
- 2022-10-03 WO PCT/EP2022/077446 patent/WO2023057374A1/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Title |
|---|
| J.-P. BECKER ET AL.: "A modular device for large area integrated photoecl-trochemical water-splitting as a versatile tool to evaluate photoabsorbers and catalyst", J. MATER. CHEM. A, vol. 5, 2017, pages 4818 - 4826 |
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