WO2008129182A2 - Hydrogen storing method and unit - Google Patents

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WO2008129182A2
WO2008129182A2 PCT/FR2008/050379 FR2008050379W WO2008129182A2 WO 2008129182 A2 WO2008129182 A2 WO 2008129182A2 FR 2008050379 W FR2008050379 W FR 2008050379W WO 2008129182 A2 WO2008129182 A2 WO 2008129182A2
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hydrogen
unit
anode
wall
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Arash Mofakhami
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Ceram Hyd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/133Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present invention relates to the storage of hydrogen and more particularly the storage of hydrogen produced electrochemically, and the return of the stored hydrogen.
  • International application WO 2006/003328 discloses a process for producing and storing hydrogen.
  • the subject of the invention is therefore a process for producing and storing hydrogen, in which, for storing hydrogen, a unit comprising: a cation donor, in particular H ions; + , - an anode, - a cathode capable of storing atomic and / or molecular hydrogen, an ion-permeable wall, comprising an electrically non-conductive but ionically conductive material between the cathode and the cation donor, is subjected to a an electric field enabling the formation, at least at the interface of the cathode and of the electrically non-conductive material, of atomic and / or molecular hydrogen and its storage within the at least one cathode, and in which, in order to restore the hydrogen gas, the cathode is heated and / or depressed.
  • a unit comprising: a cation donor, in particular H ions; + , - an anode, - a cathode capable of storing atomic and / or molecular
  • the cathode may comprise a hydrurable material.
  • interface between the cathode and the electrically non-conductive material, it should be understood that there is a phenomenon of molecular contact between the cathode and the electrically nonconductive material. Between the electrically non-conductive material and the cathode, the interface is made to ensure the transformation of a hydrogen ion into a hydrogen atom on the surface of the cathode, the cathode being configured to absorb it immediately.
  • non-conductive electrical material is meant a material whose electrical conductivity is low enough not to be detrimental to cationic conduction. The process according to the invention makes it possible to store the hydrogen during its production and to return it at will, according to the needs.
  • Storage can be performed without causing degradation at the cathode.
  • the present invention can find application in many fields where hydrogen gas is needed to produce energy, for example vehicles, electronic devices or electricity generators.
  • the invention also applies to the intermittent storage of any form of renewable energy, for example of wind, driving tide or solar.
  • the ion-permeable wall may have a water permeability of less than 5% of the mass of hydrogen produced.
  • the cathode may contain less than 5% by weight of water.
  • the ion-permeable wall may have zero water permeability, measured under normal conditions of temperature and pressure, with liquid water, or even in the form of steam, at a temperature of less than 900 ° C. and a difference pressure on both sides of the membrane not exceeding 4 bar.
  • the total impermeability of the wall during production and storage can make it possible to ensure the storage within the cathode of the atomic and / or molecular hydrogen formed.
  • the hydrogen adsorption required for this purpose may depend on the nature of the cathode. Indeed, the presence of water in the cathode may risk preventing the establishment of molecular contact within the cathode, thus preventing the establishment of a satisfactory electrical conduction, and thus preventing the formation of hydrogen in the cathode. cathode or at the interface.
  • the presence of water at the interface of the cathode and the proton exchange membrane may be of no consequence on the system. Indeed, the water behaves as the continuity of the wall permeable to ions because of its ionic conduction power.
  • the medium is reducing due to the presence of hydrogen, the presence of water is not a problem for storage.
  • the anode may be made of any electrically conductive material compatible with the H + ion donor, for example platinum, graphite, a thin layer of a mixture of RuO 2 , IrO 2 or RuO 2 , IrO 2 and TiO 2 or RuO 2 , IrO 2 and SnO 2 lined with a porous titanium plate (30 to 50% for example) or a conductive polymer, among others.
  • the thin layer may have a thickness of between 5 microns and 20 microns, for example about 10 microns.
  • the anode may be in contact with the electrically nonconductive material.
  • the cathode may have a solid, liquid or powder form; a powdery form can facilitate the manufacture of the unit with very different shapes.
  • the cathode may comprise an intermetallic compound, in particular chosen from complex interstitial or metal hydrides, for example chosen from the following list: of type AB5 (A and B being metals), for example LaNi 5 , the lava phases
  • Zr, Ti (Mn, V, Cr, Ni) 2 , for example ZrMn 2 or TiMn 2 , Mg, TiFe, Mg 2 Ni, vanadium-based solid cube solutions, BaReHg (the formula corresponding to hydridized state), Mg 2 FeH 6 (the formula corresponding to the hydride state), NaAlH 4 (the formula corresponding to the hydrided state), LiBH 4 (the formula corresponding to the hydrided state), and all their compounds, derivatives or their alloys.
  • the cathode may be embedded in a mass of boron nitride, the periphery of this mass of boron nitride constituting the electrically nonconductive material.
  • the electrode may comprise for example a metal foam or any conductive and hydrurable material, embedded in a mass of boron nitride.
  • the electrically non-conductive material may comprise a ceramic, for example comprising hexagonal boron nitride, preferably activated by an acidic solution in an electric field, lithium nitride, boric acid, an ionic conductive polymer, and more generally any ion exchange material.
  • the electrically non-conductive material may be chosen from ion exchange ceramics developed for PEMFC or PCFC cells.
  • the non-conductive electrical material may for example comprise turbostratic boron nitride, that is to say whose crystallization planes may be slightly offset with respect to the theoretical crystallization position, for example hexagonal crystallization of boron nitride, which leads to a poorer maintenance of the plans between them, the latter being further apart.
  • turbostratic boron nitride that is to say whose crystallization planes may be slightly offset with respect to the theoretical crystallization position, for example hexagonal crystallization of boron nitride, which leads to a poorer maintenance of the plans between them, the latter being further apart.
  • the electrically nonconductive material may comprise hexagonal boron nitride grains contiguous to each other, for example grains having a size of the order of 100 ⁇ m, or even of a nanometric size.
  • the boron nitride grains may be oriented preferably not all parallel to the wall, but for example perpendicularly, so as to ensure better mechanical strength, or heterogeneously, to ensure better proton conduction.
  • the boron nitride may be in the form of grains, for example of average size of the order of 7 to 11 microns.
  • the mass proportion of boron nitride in the material may be between 5% and 100%, for example up to 70%.
  • the wall may be entirely made of high pressure sintered boron nitride powder. Alternatively, it may comprise boron nitride and a binder, being manufactured by a HIP (hot isostatic pressure) process.
  • HIP hot isostatic pressure
  • the electrically non-conductive material may comprise percolated boron nitride grains, for example held together by a compound, for example a compound of the following list: nickel, boron oxide, calcium borate, ethyl cellulose, acid boric, Polyvinyl alcohol, vinylcaprolactam, PTFE (Teflon ®), Poly ethyl sulfone sulfone.
  • a compound for example a compound of the following list: nickel, boron oxide, calcium borate, ethyl cellulose, acid boric, Polyvinyl alcohol, vinylcaprolactam, PTFE (Teflon ®), Poly ethyl sulfone sulfone.
  • the electrically nonconductive material may be formed by boron nitride inserted into a binder, for example boric acid or a polymer membrane, which can provide very good proton conductivity to the electrically non-conductive material.
  • a binder for example boric acid or a polymer membrane, which can provide very good proton conductivity to the electrically non-conductive material.
  • the polymer may for example be PVA (polyvinyl alcohol),
  • Vinylcaprolactam Vinylcaprolactam, PTFE (Tefion ® ), Polyether sulfone sulfone.
  • the polymer for example PVA
  • the addition of polymer may for example be carried out under vacuum, so that the latter is sucked into the pores of the boron nitride.
  • the electrically nonconductive material can be obtained by the following method.
  • the result obtained is heated at a temperature of between 800 and 1700 ° C., or even between 1000 and 1500 ° C. under a neutral atmosphere, for example nitrogen or argon, causing the grains to sinter together. .
  • the substrate is removed and a rigid boron nitride membrane composed of sintered grains is obtained.
  • the substrate may for example comprise a thin woven, made for example of Nylon ® , PolyEthylEtherKetone, Ethylene Tetrafluoroethylene, Polyethylene terephthalate or Polyester.
  • the edge nitride may have been previously activated or activated during or at the end of the process of manufacturing the electrically non-conductive material.
  • activation of boron nitride is meant a process for promoting proton conduction in boron nitride.
  • Boron nitride may for example be activated in an acid solution while being subjected to an electric field.
  • Boron nitride can still be activated in a sodium hydroxide solution, with or without the application of an electric field.
  • the boron nitride can be activated by being dipped in a solution, for example water, in the presence of iron, for example an iron gate, and under application of an electric field.
  • boron nitride in powder form can facilitate the activation of the latter.
  • the boron nitride may be activated in its powder form before insertion into a binder, for example into a polymer, or after insertion into this binder, for example depending on the binder used.
  • the boron nitride grains can be activated before they are inserted into the polymeric binder or after the sintering of the grains. In case of sintering, the activation can be done at the end of the process, to avoid the risk that it is destroyed by sintering.
  • the ion-permeable wall may comprise one or more layers of different materials, at least one of which may exert a cationic conductor function. Between the layer having this function and the electrolyte, the wall may comprise, for example, a porous layer having a support function.
  • the ion-permeable wall may at least partially, more completely, cover the cathode, especially at least on its face facing the anode.
  • the electrically non-conductive material of the ion-permeable wall can be used to prevent, in an exemplary embodiment, any contact between the cathode and the cation donor.
  • the electrically non-conductive material is preferably impervious to gaseous hydrogen, so as to make it easier, during the restitution of hydrogen gas, the evacuation of it to an outlet of hydrogen gas and not to the donor of cations.
  • the cation donor can be an electrolyte, for example an aqueous acidic solution comprising for example at least one of the compounds of the following list: sulfuric acid, hydrochloric acid, weak acid, or weak acid salts.
  • the cation donor can be liquid, as mentioned above, or alternatively be solid, gaseous or in the form of plasma.
  • the cation donor can be circulated in the unit, for example by means of a pump or mobile set in motion. This circulation may remain internal to the unit or may take place partially outside the unit, for example in a charging device of the unit. Such a circulation may allow for example to avoid the formation of a H + ion gradient in the unit, given that the unit can consume water to ensure the formation of hydrogen.
  • the circulation of the cation donor may make it possible to maintain the characteristics of the exchange surface around the anode and the cathode substantially constant.
  • the cathode may be heated to restore the hydrogen gas, for example at a temperature above 30 ° C., more preferably 50 ° C., for example between 70 ° and 350 ° C., the temperature being able to be chosen according to the materials.
  • the heating can take place after evacuation of the electrolyte, this evacuation being able to take place towards the recharging device.
  • the cation donor is not removed for heating to release hydrogen.
  • the unit can also be heated to a temperature lower than that producing destocking, during the hydrogen production and storage phase, in order to improve the latter.
  • the heating of the cathode can advantageously be done in a controlled manner, for example to act precisely on the amount of hydrogen gas released.
  • the unit, and in particular the cathode can be depressed to facilitate the extraction of hydrogen gas.
  • the heating can be caused by Joule effect during the circulation of an electric current, for example in a conductor integrated in the unit, for example extending within the cathode. Heating can still be done by circulation of a hot fluid.
  • the hydrogen can be stored in the cathode in atomic and / or molecular form, depending on the choice in particular of the material forming the cathode. Hydrogen gas leaving the cathode can be collected for use in a fuel cell and / or fuel or reagent.
  • the invention further relates, independently or in combination with the foregoing, to a unit for storing and recovering hydrogen, comprising:
  • an anode capable of storing atomic and / or molecular hydrogen, a cation donor, in particular of ions H + , an ion-permeable wall comprising an electrically nonconductive but ionically conductive material between the cathode and the cation donor, optionally a cathode heating element, - an electrical connector for electrically feeding the anode and the cathode to create between them an electric field allowing the formation of atomic and / or molecular hydrogen at least within the cathode and its storage at least in the cathode, the unit being arranged to collect the hydrogen gas released by the cathode at least during the heating thereof, the unit further comprising: a fluidic connector allowing to channel the hydrogen gas thus released towards the outside of the unit.
  • the hydrogen storage and return unit may comprise an outer casing intended to house at least the anode, the cathode, the cation donor, the non-conductive but electrically conductive material, the possible heating element and, if appropriate, also the electrical connector.
  • This outer casing can be made at least partially in a synthetic or metallic material.
  • the anode of the hydrogen storage and recovery unit may be porous and / or pierced with orifices, for example being in the form of a screen or a metallic or metallized foam.
  • the heating member may comprise an electrical resistance, and be inside or outside the outer casing.
  • the heating member may, for example, make it possible to heat the unit to a temperature greater than or equal to 30 ° C., more preferably 50 ° C., for example between 70 and 350 ° C.
  • the heating member may comprise an electrical resistance at least partially disposed in the cathode or in an element in contact with it, for example in an elastically deformable member for applying the cathode against the non-conductive but electrically conductive material and for compensating variations in volume of the cathode.
  • the heating member When the heating member is disposed at least partially in the cathode, it may for example comprise a resistive wire traveling through the cathode and electrically isolated therefrom.
  • the unit may further comprise a temperature sensor, better a device for regulating the temperature of the cathode, for example to control the heating of the cathode to adjust the temperature to the desired hydrogen flow rate.
  • the unit can be configured to allow expansion of the cathode during its operation, and in particular to ensure permanent contact between the cathode and the non-conductive but electrically conductive material.
  • the unit may comprise an elastically deformable member on the side of the cathode opposite to the electrically non-conductive material of the ion-permeable wall, arranged to urge the cathode to bear against this electrically nonconductive material.
  • an elastically deformable member may deform elastically to compensate for a change in volume of the cathode, for example during swelling due to accumulated hydrogen.
  • the elastically deformable member is for example made at least partially with an elastically deformable metal material, for example a spring steel, or with an elastomer having a sufficient thermal resistance, for example based on silicone that can withstand a temperature of at least 250 0 C.
  • the cathode is tubular, surrounding for example an interior space for its expansion. Such a configuration is desirable when the cathode comprises one or more intermetallic compounds capable of expanding upon hydrogen accumulation, for example from about 25% to 30% by volume.
  • the internal space can accommodate the elastically deformable member, which is for example in the form of an elastomeric sleeve.
  • the unit may comprise a filling connector and / or purge cation donor, optionally provided with a valve opening on connection with a filling system or purging outside the unit.
  • the unit may include a hydrogen outlet fitting for conveying the liberated hydrogen gas outside the unit.
  • connectors fill and / or purge and hydrogen outlet may be provided with suitable sealing systems, such as O-rings, for example.
  • the invention also relates to a charging device of a unit as defined above, comprising at least one housing for receiving the storage unit and at least one electrical connector to be connected to the electrical connector of the unit so to generate an electric field between the cathode and the anode and, if necessary, heat the cathode.
  • the recharging device may comprise a housing for receiving a supply of water or electrolyte for supplying the unit or units with an internal circuit, and optionally recovering the electrolyte during the emptying of these cells. units.
  • the charging device can be arranged to monitor the charge and interrupt it when certain conditions are reached.
  • the recharging device may comprise one or more end-of-charge indicators, for example one or more light-emitting diodes and / or a pressure detection device. Detection of the increase in pressure can translate a saturation of the cathode into hydrogen and the end of the possibility of storage.
  • the charging device can be arranged to cut the power supply from a certain value of the pressure.
  • the recharging device may comprise, for example at the bottom of each of the housings intended to receive a unit, at least one connector to be connected to the hydrogen outlet and / or with the filling and / or purge connector (s) mentioned above. - above.
  • One or more valves may be actuated during the introduction of a refill in the charging device.
  • the invention further relates to a method comprising the step of supplying a fuel cell with the hydrogen extracted from a storage unit as defined above.
  • the storage unit may, before its introduction, be emptied of the cation donor, in particular in the case where the latter is a liquid. This emptying can be performed to the aforementioned charging device, for example.
  • the invention also relates to an electrical appliance, in particular a telephone or laptop, comprising at least one housing for receiving at least one storage unit as defined above.
  • the unit may be configured to operate at ambient temperature or even at a temperature greater than 60 ° C., for example more than 100 ° C., and for example at an internal pressure of between 0.1 bar and 100 bar.
  • the storage in the cathode can be improved under pressure.
  • the unit may, where appropriate, be coupled to a fuel cell, for example within a one-piece assembly.
  • the fuel cell can share an envelope with the hydrogen production and storage unit, if any.
  • the destocking of hydrogen takes place to the fuel cell without leaving the envelope containing the storage unit and the fuel cell.
  • FIG. 1 schematic and simplified hydrogen storage and production units, as well as the associated charging device
  • FIG. 2 is a view similar to FIG. 1, the hydrogen production and storage units being removed from the charging device
  • FIG. 3 is an exploded view showing an assembly comprising a storage and production unit and a fuel cell
  • - Figure 4 shows the assembly of Figure 3, in the assembled state
  • Figure 5 shows an alternative embodiment of the unit
  • FIG. 6 is a diagrammatic and partial longitudinal section of the unit of FIG. 5
  • FIG. 7 is a schematic and partial section of an alternative embodiment of the unit
  • FIG. 8 represents examples of FIG. rate of hydrogen loading as a function of time, according to several voltages applied between the anode and the cathode.
  • FIG. 1 shows a system 1 comprising two removable units 2 for producing and storing hydrogen and a recharging device 3 for recharging these units 2 in hydrogen between two successive uses.
  • the charging device 3 may comprise, as can be seen in FIG. 2 in particular, housings 4 for each receiving a unit 2 and may comprise a reservoir 5 which can be filled with a liquid intended for the units 2, for example the electrolyte.
  • the charging device 3 comprises a single housing 4.
  • Each unit 2 may, as illustrated in FIGS. 3 and 4, be arranged to be coupled during use to a fuel cell 6, for example within an assembly 10 comprising at least one fluidic connector making it possible to recover the hydrogen produced by the unit 2 for injection into the fuel cell 6 and an electrical connector for electrically powering the unit 2, for example to cause by heating the release of the stored hydrogen.
  • the assembly 10 may comprise, as illustrated in Figure 4, an electrical connector 11 for the fuel cell to electrically power the electrical apparatus in which the assembly 10 is introduced.
  • FIG. 3 shows another example of unit 2, having a generally cylindrical shape.
  • This unit 2 comprises an outer casing 15 which has a cover 16 at one end.
  • the casing 15 accommodates in the example considered an anode 20, which is advantageously perforated in order to increase the exchange surface, an ion-permeable wall 21 comprising an electrically nonconductive but ionically conductive material, a cathode 22 made in a material for storing hydrogen and an elastic return member 24.
  • the material of the wall 21 permeable to ions, which is disposed in contact with the cathode 22, is electrically non-conductive but ionic conductor, in order to be traversed by the H + ions. Storage of hydrogen is favored when the contact area between the cathode 22 and this electrically nonconductive material 21 is large.
  • the wall 21 has for example a tubular shape closed by a bottom, on the opposite side to the cover 16.
  • the non-conductive material of the wall 21 may comprise hexagonal boron nitride, activated by the electrolyte being left several hours in contact, under an electric field.
  • the return member 24 is for example a sleeve of an elastomeric material such as silicone, capable of withstanding the temperature at which the cathode 22 is heated to release the hydrogen.
  • the wall 21 and the return member 24 may confine with each other the cathode 22 when the latter is liquid or powdery.
  • the return member 24 makes it possible to press the cathode 22 against the wall 21, in order to ensure contact between the two despite the expansions of the cathode 22.
  • Unit 2 can accommodate a heater 25 for heating cathode 22 to cause release of accumulated hydrogen.
  • the unit 2 can also be provided with a temperature sensor 26, shown very schematically in FIG. 6, in order to avoid overheating and / or to control the flow rate of hydrogen released by regulating the heating of the cathode 22 .
  • the exit of the hydrogen out of the unit can take place by an orifice 27 which forms or is equipped with a male or female connector, possibly equipped with a valve.
  • An electrolyte circulation can take place through the unit, by means of orifices 14.
  • the circulating electrolyte comes into contact with the anode 20 and the wall 21.
  • the cathode 22 is made of a material capable of storing hydrogen, for example a hydrurable material.
  • a material capable of storing hydrogen for example a hydrurable material.
  • the anode being connected to the pole positive of an electric generator which is for example integrated to the charging device 3, and the cathode to the negative pole of this electric generator, the H + cations contained in the electrolyte migrate through the wall 21 to the cathode 22 and reduce atomic hydrogen at the interface of the cathode 22 and the wall 21.
  • the atomic and / or molecular hydrogen thus generated is directly stored in the cathode 22, and possibly in the wall 21 if this is carried out in accordance with the WO 2006/003328.
  • Hydrogen is preferably stored in the cathode as atomic hydrogen, being directly adsorbed in the cathode.
  • the hydriding of the cathode can be done by a chemissorption reaction, the molecular hydrogen splitting into atomic hydrogen in contact with the intermetallic compound.
  • the hydrophilic cathode may optionally be heated and / or pressurized.
  • the intensity of the electric field applied between the anode and the cathode must be sufficient to cause the rupture H 3 O + ions according to the reaction:
  • the reaction consumes water, which is preferably present in the electrolyte.
  • the hydrogen production reaction also causes a gaseous release of oxygen. This gas evolution can result in the formation of bubbles at the anode 20 in the electrolyte.
  • the gaseous oxygen produced during the production of hydrogen can be recovered at a corresponding outlet in the unit, and stored or used directly, or released into the atmosphere.
  • the unit is emptied of the electrolyte before heating the cathode. This emptying can be done to the charging device, for example.
  • the flow of hydrogen extracted can be controlled by acting for example on the heating temperature of the cathode.
  • the heating member is outside the casing 15.
  • the heating member 25 is disposed within the cathode 22.
  • This figure also illustrates the possibility for the anode 20 to be supported by the ion-permeable wall 21.
  • the anode 20 is crossed by the electrolyte 40, which may optionally communicate with a reserve located on the side of the anode 20 which is opposite the cathode 22.
  • the ion-permeable wall 21 may have a multilayer structure, with for example, as illustrated in FIG. 7, a support layer 21a and a layer 21b of non-conductive but electrically conductive material.
  • the support layer 21a may be constituted by a porous ceramic, for example.
  • the presence of the support layer 21a can reduce the thickness of the layer 21b by providing the maintenance function of this layer 21b.
  • the layer 21a can also make it possible to use an anode 20 having a lower mechanical strength, by supporting it.
  • FIG. 8 represents an example of results obtained with a unit similar to that of the example of FIG. 6, with the exception of the heating element, placed outside the envelope.
  • the anode used is graphite.
  • the wall 21 is hexagonal boron nitride activated by being left three hours in contact with the electrolyte under tension of 50 volts.
  • the wall 21 is for example made by machining a bar, with a thickness of 1 mm.
  • the electrolyte is 5M sulfuric acid.
  • the cathode 22 is based on LaNi 5 powder used in NiMH batteries.
  • the unit can be made with different shapes and sizes and with other materials. If necessary, the anode and the cathode can be interdigitated.
  • the unit may include a plurality of storage generating cells each having a cathode and an anode.
  • the electrolyte may be located internally, being surrounded by the anode, the ion-permeable wall and the cathode, which is thus external to the anode and may itself be surrounded by an elastically deformable member.
  • the expression "comprising” should be understood as being synonymous with “having at least one", unless the opposite is specified.

Abstract

The invention relates to a method for storing hydrogen and for producing hydrogen in which, for storing hydrogen, a unit (2) having: a cation donor, particularly of H+ ions, an anode (20), a cathode capable of storing atomic and/or molecular (22) hydrogen, a wall (21) permeable to ions, having an electrical non conducting but ionic conducting material, between the cathode and the cation donor, is subjected to an electric field allowing the formation, at least at the cathode and electrical non conducting material interface, of atomic and/or molecular hydrogen and storing said hydrogen at least in the cathode, and in which, to restitute hydrogen gas, the cathode is heated and/or depressed.

Description

Procédé et unité de stockage d'hydrogène Hydrogen storage process and unit
La présente invention concerne le stockage d'hydrogène et plus particulièrement le stockage d'hydrogène produit par voie électrochimique, et la restitution de l'hydrogène stocké. On connaît par la demande internationale WO 2006/003328 un procédé de production et de stockage d'hydrogène.The present invention relates to the storage of hydrogen and more particularly the storage of hydrogen produced electrochemically, and the return of the stored hydrogen. International application WO 2006/003328 discloses a process for producing and storing hydrogen.
Il existe un besoin pour bénéficier d'une unité de stockage permettant de stocker une quantité d'hydrogène relativement importante et capable de le restituer à l'extérieur de l'unité sous forme d'hydrogène moléculaire. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un procédé de production et de stockage d'hydrogène, dans lequel pour stocker de l'hydrogène, une unité comportant : un donneur de cations, notamment d'ions H+, - une anode, - une cathode apte à stocker de l'hydrogène atomique et/ou moléculaire, une paroi perméable aux ions, comportant un matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique entre la cathode et le donneur de cations, est soumise à un champ électrique permettant la formation, au moins à l'interface de la cathode et du matériau non conducteur électrique, d'hydrogène atomique et/ou moléculaire et son stockage au sein de la cathode au moins, et dans lequel, pour restituer de l'hydrogène gazeux, la cathode est chauffée et/ou mise en dépression.There is a need to benefit from a storage unit for storing a relatively large quantity of hydrogen capable of returning it outside the unit in the form of molecular hydrogen. According to one of its aspects, the subject of the invention is therefore a process for producing and storing hydrogen, in which, for storing hydrogen, a unit comprising: a cation donor, in particular H ions; + , - an anode, - a cathode capable of storing atomic and / or molecular hydrogen, an ion-permeable wall, comprising an electrically non-conductive but ionically conductive material between the cathode and the cation donor, is subjected to a an electric field enabling the formation, at least at the interface of the cathode and of the electrically non-conductive material, of atomic and / or molecular hydrogen and its storage within the at least one cathode, and in which, in order to restore the hydrogen gas, the cathode is heated and / or depressed.
Par « stocker », il faut comprendre une absorption ou adsorption chimique ou physique, au niveau atomique et/ou dans les porosités de la matière.By "storing" it is necessary to understand a chemical or physical absorption or adsorption, at the atomic level and / or in the porosities of the material.
La cathode peut comporter un matériau hydrurable. Par « interface » entre la cathode et le matériau non conducteur électrique, il faut comprendre qu'il existe un phénomène de contact moléculaire entre la cathode et le matériau non conducteur électrique. Entre le matériau non conducteur électrique et la cathode, l'interface est réalisée de manière à assurer la transformation d'un ion d'hydrogène en un atome d'hydrogène sur la surface de la cathode, la cathode étant configurée pour l'absorber aussitôt. Par « matériau non conducteur électrique », il faut comprendre un matériau dont la conductivité électrique est suffisamment faible pour ne pas s'effectuer au détriment de la conduction cationique. Le procédé selon l'invention permet de stocker l'hydrogène lors de sa production et de le restituer à volonté, en fonction des besoins.The cathode may comprise a hydrurable material. By "interface" between the cathode and the electrically non-conductive material, it should be understood that there is a phenomenon of molecular contact between the cathode and the electrically nonconductive material. Between the electrically non-conductive material and the cathode, the interface is made to ensure the transformation of a hydrogen ion into a hydrogen atom on the surface of the cathode, the cathode being configured to absorb it immediately. . By "non-conductive electrical material" is meant a material whose electrical conductivity is low enough not to be detrimental to cationic conduction. The process according to the invention makes it possible to store the hydrogen during its production and to return it at will, according to the needs.
Le stockage peut être effectué sans provoquer de dégradation à la cathode.Storage can be performed without causing degradation at the cathode.
La présente invention peut trouver application dans de nombreux domaines où de l'hydrogène gazeux est nécessaire pour produire de l'énergie, par exemple des véhicules, des appareils électroniques ou des générateurs d'électricité. L'invention s'applique également au stockage intermittent de toute forme d'énergie renouvelable, par exemple d'origine éolienne, marée motrice ou solaire.The present invention can find application in many fields where hydrogen gas is needed to produce energy, for example vehicles, electronic devices or electricity generators. The invention also applies to the intermittent storage of any form of renewable energy, for example of wind, driving tide or solar.
La paroi perméable aux ions peut avoir une perméabilité à l'eau inférieure à 5 % de la masse d'hydrogène produit.The ion-permeable wall may have a water permeability of less than 5% of the mass of hydrogen produced.
La cathode peut contenir moins de 5 % massique d'eau.The cathode may contain less than 5% by weight of water.
La paroi perméable aux ions peut avoir une perméabilité à l'eau nulle, mesurée dans les conditions normales de température et de pression, avec de l'eau liquide, voire sous forme de vapeur, sous une température inférieur à 900 0C et une différence de pression de part et d'autre de la membrane n'excédant pas 4 bars.The ion-permeable wall may have zero water permeability, measured under normal conditions of temperature and pressure, with liquid water, or even in the form of steam, at a temperature of less than 900 ° C. and a difference pressure on both sides of the membrane not exceeding 4 bar.
L'imperméabilité totale de la paroi lors de la production et du stockage peut permettre d'assurer le stockage au sein de la cathode de l'hydrogène atomique et/ou moléculaire formé. L'adsorption d'hydrogène nécessaire à cet effet peut dépendre de la nature de la cathode. En effet, la présence d'eau dans la cathode peut risquer d'empêcher l'établissement de contact moléculaire au sein de la cathode, empêchant ainsi l'établissement d'une conduction électrique satisfaisante, et empêchant alors la formation d'hydrogène dans la cathode ou à l'interface. Par contre, la présence de l'eau à l'interface de la cathode et de la membrane échangeuse protonique peut être sans conséquence sur le système. En effet, l'eau se comporte comme la continuité de la paroi perméable aux ions du fait de son pouvoir de conduction ionique. Par ailleurs, dans la mesure où près de la cathode le milieu est réducteur grâce à la présence de l'hydrogène, la présence de l'eau n'est pas gênante pour le stockage.The total impermeability of the wall during production and storage can make it possible to ensure the storage within the cathode of the atomic and / or molecular hydrogen formed. The hydrogen adsorption required for this purpose may depend on the nature of the cathode. Indeed, the presence of water in the cathode may risk preventing the establishment of molecular contact within the cathode, thus preventing the establishment of a satisfactory electrical conduction, and thus preventing the formation of hydrogen in the cathode. cathode or at the interface. On the other hand, the presence of water at the interface of the cathode and the proton exchange membrane may be of no consequence on the system. Indeed, the water behaves as the continuity of the wall permeable to ions because of its ionic conduction power. Moreover, since near the cathode the medium is reducing due to the presence of hydrogen, the presence of water is not a problem for storage.
L'anode peut être réalisée avec tout matériau conducteur électrique compatible avec le donneur d'ions H+, par exemple du platine, du graphite, une couche mince d'un mélange de RuO2, IrO2 ou de RuO2, IrO2 et TiO2 ou de RuO2, IrO2 et SnO2 doublé d'une plaque de titane poreuse (de 30 à 50 % par exemple) ou un polymère conducteur, entre autres. La couche mince peut avoir une épaisseur comprise entre 5 μm et 20 μm, par exemple de 10 μm environ. L'anode peut être au contact du matériau non conducteur électrique.The anode may be made of any electrically conductive material compatible with the H + ion donor, for example platinum, graphite, a thin layer of a mixture of RuO 2 , IrO 2 or RuO 2 , IrO 2 and TiO 2 or RuO 2 , IrO 2 and SnO 2 lined with a porous titanium plate (30 to 50% for example) or a conductive polymer, among others. The thin layer may have a thickness of between 5 microns and 20 microns, for example about 10 microns. The anode may be in contact with the electrically nonconductive material.
La cathode peut présenter une forme solide, liquide ou pulvérulente ; une forme pulvérulente peut faciliter la fabrication de l'unité avec des formes très diverses.The cathode may have a solid, liquid or powder form; a powdery form can facilitate the manufacture of the unit with very different shapes.
La cathode peut comporter un composé intermétallique, notamment choisi parmi les hydrures interstitiels ou métalliques complexes, par exemple choisis dans la liste suivante : de type AB5 (A et B étant des métaux), par exemple LaNi5, les phases de lavesThe cathode may comprise an intermetallic compound, in particular chosen from complex interstitial or metal hydrides, for example chosen from the following list: of type AB5 (A and B being metals), for example LaNi 5 , the lava phases
(Zr, Ti) (Mn, V, Cr, Ni)2, par exemple ZrMn2 ou TiMn2, Mg, TiFe, Mg2Ni, les solutions solides cubiques centrées à base de vanadium, BaReHg (la formule correspondant à l'état hydruré), Mg2FeH6 (la formule correspondant à l'état hydruré), NaAlH4 (la formule correspondant à l'état hydruré), LiBH4 (la formule correspondant à l'état hydruré), et tous leurs composés, dérivés ou leurs alliages.(Zr, Ti) (Mn, V, Cr, Ni) 2 , for example ZrMn 2 or TiMn 2 , Mg, TiFe, Mg 2 Ni, vanadium-based solid cube solutions, BaReHg (the formula corresponding to hydridized state), Mg 2 FeH 6 (the formula corresponding to the hydride state), NaAlH 4 (the formula corresponding to the hydrided state), LiBH 4 (the formula corresponding to the hydrided state), and all their compounds, derivatives or their alloys.
La cathode peut se présenter noyée dans une masse de nitrure de bore, la périphérie de cette masse de nitrure de bore constituant le matériau non conducteur électrique. L'électrode peut comporter par exemple une mousse métallique ou de tout matériau conducteur et hydrurable, noyée dans une masse de nitrure de bore.The cathode may be embedded in a mass of boron nitride, the periphery of this mass of boron nitride constituting the electrically nonconductive material. The electrode may comprise for example a metal foam or any conductive and hydrurable material, embedded in a mass of boron nitride.
Le matériau non conducteur électrique peut comporter une céramique, par exemple comportant du nitrure de bore hexagonal, de préférence activé par une solution acide sous champ électrique, du nitrure de lithium, de l'acide borique, un polymère conducteur ionique, et plus généralement tout matériau échangeur ionique. Le matériau non conducteur électrique peut être choisi parmi les céramiques échangeuses ioniques développées pour les piles PEMFC ou PCFC.The electrically non-conductive material may comprise a ceramic, for example comprising hexagonal boron nitride, preferably activated by an acidic solution in an electric field, lithium nitride, boric acid, an ionic conductive polymer, and more generally any ion exchange material. The electrically non-conductive material may be chosen from ion exchange ceramics developed for PEMFC or PCFC cells.
Le matériau non conducteur électrique peut par exemple comporter du nitrure de bore turbostratique, c'est-à-dire dont les plans de cristallisation peuvent être légèrement décalés par rapport à la position de cristallisation théorique, par exemple de cristallisation hexagonale du nitrure de bore, ce qui conduit à un moins bon maintien des plans entre eux, ces derniers étant plus écartés.The non-conductive electrical material may for example comprise turbostratic boron nitride, that is to say whose crystallization planes may be slightly offset with respect to the theoretical crystallization position, for example hexagonal crystallization of boron nitride, which leads to a poorer maintenance of the plans between them, the latter being further apart.
Le matériau non conducteur électrique peut comporter des grains de nitrure de bore hexagonal accolés entre eux, par exemple des grains d'une taille de l'ordre de 100 μm, ou encore d'une taille nanométrique. Les grains de nitrure de bore peuvent être orientés de préférence non tous parallèlement à la paroi, mais par exemple perpendiculairement, de manière à assurer une meilleure tenue mécanique, ou encore de manière hétérogène, afin d'assurer une meilleure conduction protonique. Le nitrure de bore peut se présenter sous la forme de grains, par exemple de dimension moyenne de l'ordre de 7 à 11 μm. La proportion massique du nitrure de bore dans le matériau peut être comprise entre 5% et 100%, par exemple jusqu'à 70 %. La paroi peut être entièrement faite de poudre de nitrure de bore fritte à haute pression. En variante, elle peut comporter le nitrure de bore et un liant, étant fabriquée par un procédé HIP (hot isostatic pressure).The electrically nonconductive material may comprise hexagonal boron nitride grains contiguous to each other, for example grains having a size of the order of 100 μm, or even of a nanometric size. The boron nitride grains may be oriented preferably not all parallel to the wall, but for example perpendicularly, so as to ensure better mechanical strength, or heterogeneously, to ensure better proton conduction. The boron nitride may be in the form of grains, for example of average size of the order of 7 to 11 microns. The mass proportion of boron nitride in the material may be between 5% and 100%, for example up to 70%. The wall may be entirely made of high pressure sintered boron nitride powder. Alternatively, it may comprise boron nitride and a binder, being manufactured by a HIP (hot isostatic pressure) process.
Le matériau non conducteur électrique peut comporter des grains de nitrure de bore percolés, par exemple maintenus solidaires les uns des autres par un composé, par exemple un composé de la liste suivante : nickel, oxyde de bore, borate de calcium, éthyle cellulose, acide borique, Polyvinyle alcool, Vinylcaprolactame, PTFE (Téfion®), PoIy éthyle sulfone sulfoné.The electrically non-conductive material may comprise percolated boron nitride grains, for example held together by a compound, for example a compound of the following list: nickel, boron oxide, calcium borate, ethyl cellulose, acid boric, Polyvinyl alcohol, vinylcaprolactam, PTFE (Teflon ®), Poly ethyl sulfone sulfone.
Le matériau non conducteur électrique peut être formé par du nitrure de bore inséré dans un liant, par exemple de l'acide borique ou une membrane polymère, ce qui peut assurer une très bonne conductivité protonique au matériau non conducteur électrique. Le polymère peut être par exemple du PVA (polyvinylalcool),The electrically nonconductive material may be formed by boron nitride inserted into a binder, for example boric acid or a polymer membrane, which can provide very good proton conductivity to the electrically non-conductive material. The polymer may for example be PVA (polyvinyl alcohol),
Vinylcaprolactame, PTFE (Téfion®), Polyéther sulfone sulfoné.Vinylcaprolactam, PTFE (Tefion ® ), Polyether sulfone sulfone.
Le polymère, par exemple du PVA, peut être utilisé pour boucher les porosités présentes dans le nitrure de bore. L'ajout de polymère peut par exemple être effectué sous vide, de telle sorte que ce dernier est aspiré dans les porosités du nitrure de bore. Le matériau non conducteur électrique peut être obtenu par le procédé suivant.The polymer, for example PVA, can be used to plug the porosities present in the boron nitride. The addition of polymer may for example be carried out under vacuum, so that the latter is sucked into the pores of the boron nitride. The electrically nonconductive material can be obtained by the following method.
Des grains de nitrure de bore sont mélangés à un liant polymère sous forme liquide, ce mélange étant coulé sur un substrat, puis chauffé à une température suffisante de manière à provoquer la calcination du liant, par exemple à une température de l'ordre deBoron nitride grains are mixed with a polymer binder in liquid form, this mixture being poured onto a substrate, then heated to a temperature sufficient to cause calcination of the binder, for example at a temperature of the order of
600 ou 700 0C, de sorte que les grains de nitrure de bore sont percolés entre eux sur le substrat.600 or 700 0 C, so that the grains of boron nitride are percolated between them on the substrate.
Dans une étape supplémentaire, le résultat obtenu est chauffé à une température comprise entre 800 et 1700 0C, voire entre 1000 et 1500 0C sous une atmosphère neutre, par exemple d'azote ou d'argon, provoquant le frittage des grains entre eux.In a further step, the result obtained is heated at a temperature of between 800 and 1700 ° C., or even between 1000 and 1500 ° C. under a neutral atmosphere, for example nitrogen or argon, causing the grains to sinter together. .
Enfin, dans une étape supplémentaire, on enlève le substrat et on obtient une membrane rigide de nitrure de bore composée de grains frittes.Finally, in a further step, the substrate is removed and a rigid boron nitride membrane composed of sintered grains is obtained.
Le substrat peut par exemple comporter un tissé fin, réalisé par exemple en Nylon®, PolyEthylEtherKetone, Ethylène Tétrafluoréthylène, Polyéthylène terephtalate ou Polyester. Dans ce qui précède, le nitrure de bord peut avoir été activé au préalable ou être activé au cours du ou en fin de procédé de fabrication du matériau non conducteur électrique.The substrate may for example comprise a thin woven, made for example of Nylon ® , PolyEthylEtherKetone, Ethylene Tetrafluoroethylene, Polyethylene terephthalate or Polyester. In the foregoing, the edge nitride may have been previously activated or activated during or at the end of the process of manufacturing the electrically non-conductive material.
Par activation du nitrure de bore, on entend un procédé permettant de favoriser la conduction protonique dans le nitrure de bore.By activation of boron nitride is meant a process for promoting proton conduction in boron nitride.
Le nitrure de bore peut par exemple être activé dans une solution acide en étant soumis à un champ électrique.Boron nitride may for example be activated in an acid solution while being subjected to an electric field.
Le nitrure de bore peut encore être activé dans une solution de soude, avec ou sans application d'un champ électrique. Dans un autre procédé encore, le nitrure de bore peut être activé en étant trempé dans une solution, par exemple d'eau, en présence de fer, par exemple une grille de fer, et sous application d'un champ électrique.Boron nitride can still be activated in a sodium hydroxide solution, with or without the application of an electric field. In yet another process, the boron nitride can be activated by being dipped in a solution, for example water, in the presence of iron, for example an iron gate, and under application of an electric field.
L'utilisation de nitrure de bore sous forme pulvérulente peut faciliter l'activation de ce dernier. Le nitrure de bore peut être activé sous sa forme pulvérulente avant insertion dans un liant, par exemple dans un polymère, ou encore après insertion dans ce liant, par exemple en fonction du liant utilisé.The use of boron nitride in powder form can facilitate the activation of the latter. The boron nitride may be activated in its powder form before insertion into a binder, for example into a polymer, or after insertion into this binder, for example depending on the binder used.
Dans le procédé décrit ci-dessus, les grains de nitrure de bore peuvent être activés avant leur insertion dans le liant polymère ou après le frittage des grains. En cas de frittage, l'activation peut être effectuée en fin de procédé, pour éviter le risque qu'elle ne soit détruite par le frittage.In the process described above, the boron nitride grains can be activated before they are inserted into the polymeric binder or after the sintering of the grains. In case of sintering, the activation can be done at the end of the process, to avoid the risk that it is destroyed by sintering.
La paroi perméable aux ions peut comporter une ou plusieurs couches de matériaux différents, l'une au moins de ces couches pouvant exercer une fonction de conducteur cationique. Entre la couche ayant cette fonction et l'électrolyte, la paroi peut comporter par exemple une couche poreuse ayant une fonction de support.The ion-permeable wall may comprise one or more layers of different materials, at least one of which may exert a cationic conductor function. Between the layer having this function and the electrolyte, the wall may comprise, for example, a porous layer having a support function.
La paroi perméable aux ions peut recouvrir au moins partiellement, mieux entièrement, la cathode, notamment au moins sur sa face dirigée vers l'anode.The ion-permeable wall may at least partially, more completely, cover the cathode, especially at least on its face facing the anode.
Le matériau non conducteur électrique de la paroi perméable aux ions peut permettre d'empêcher, dans un exemple de réalisation, tout contact entre la cathode et le donneur de cations.The electrically non-conductive material of the ion-permeable wall can be used to prevent, in an exemplary embodiment, any contact between the cathode and the cation donor.
Par ailleurs, le matériau non conducteur électrique est de préférence étanche à l'hydrogène gazeux, de manière à permettre plus facilement, lors de la restitution de l'hydrogène gazeux, l'évacuation de celui-ci vers une sortie d'hydrogène gazeux et non vers le donneur de cations.Moreover, the electrically non-conductive material is preferably impervious to gaseous hydrogen, so as to make it easier, during the restitution of hydrogen gas, the evacuation of it to an outlet of hydrogen gas and not to the donor of cations.
Le donneur de cations peut être un électrolyte, par exemple une solution aqueuse acide comportant par exemple l'un au moins des composés de la liste suivante : acide sulfurique, acide chlorhydrique, acide faible, ou encore sels d'acide faible.The cation donor can be an electrolyte, for example an aqueous acidic solution comprising for example at least one of the compounds of the following list: sulfuric acid, hydrochloric acid, weak acid, or weak acid salts.
Le donneur de cations peut être liquide, comme mentionné ci-dessus, ou en variante être solide, gazeux ou sous forme de plasma.The cation donor can be liquid, as mentioned above, or alternatively be solid, gaseous or in the form of plasma.
On peut faire circuler le donneur de cations dans l'unité, par exemple à l'aide d'une pompe ou d'un mobile mis en mouvement. Cette circulation peut rester interne à l'unité ou avoir lieu partiellement à l'extérieur de l'unité, par exemple dans un dispositif de recharge de l'unité. Une telle circulation peut permettre par exemple d'éviter la formation d'un gradient d'ions H+ dans l'unité, compte tenu du fait que l'unité peut consommer de l'eau pour assurer la formation d'hydrogène. De plus, la mise en circulation du donneur de cations peut permettre de maintenir les caractéristiques de la surface d'échange autour de l'anode et de la cathode sensiblement constantes.The cation donor can be circulated in the unit, for example by means of a pump or mobile set in motion. This circulation may remain internal to the unit or may take place partially outside the unit, for example in a charging device of the unit. Such a circulation may allow for example to avoid the formation of a H + ion gradient in the unit, given that the unit can consume water to ensure the formation of hydrogen. In addition, the circulation of the cation donor may make it possible to maintain the characteristics of the exchange surface around the anode and the cathode substantially constant.
La tension appliquée entre l'anode et la cathode lors de la production d'hydrogène peut être comprise par exemple entre 1 et 3000 volts, mieux entre 1,24 et 200 volts, de préférence entre 1,24 et 4 volts.The voltage applied between the anode and the cathode during the production of hydrogen may be for example between 1 and 3000 volts, better between 1.24 and 200 volts, preferably between 1.24 and 4 volts.
La cathode peut être chauffée pour restituer l'hydrogène gazeux, par exemple à une température supérieure à 300C, mieux 500C, par exemple comprise entre 70 et 3500C, la température pouvant être choisie en fonction des matériaux.The cathode may be heated to restore the hydrogen gas, for example at a temperature above 30 ° C., more preferably 50 ° C., for example between 70 ° and 350 ° C., the temperature being able to be chosen according to the materials.
Le chauffage peut avoir lieu après évacuation de l' électrolyte, cette évacuation pouvant s'effectuer vers le dispositif de recharge. En variante, le donneur de cations n'est pas évacué pour le chauffage visant à libérer l'hydrogène. L'unité peut également être chauffée à une température inférieure à celle produisant le déstockage, durant la phase de production et stockage d'hydrogène, afin d'améliorer ce dernier.The heating can take place after evacuation of the electrolyte, this evacuation being able to take place towards the recharging device. Alternatively, the cation donor is not removed for heating to release hydrogen. The unit can also be heated to a temperature lower than that producing destocking, during the hydrogen production and storage phase, in order to improve the latter.
Le chauffage de la cathode peut avantageusement se faire de manière contrôlée, afin par exemple d'agir précisément sur la quantité d'hydrogène gazeux libérée. En variante ou additionnellement, l'unité, et notamment la cathode, peut être mise en dépression afin de faciliter l'extraction de l'hydrogène gazeux.The heating of the cathode can advantageously be done in a controlled manner, for example to act precisely on the amount of hydrogen gas released. Alternatively or additionally, the unit, and in particular the cathode, can be depressed to facilitate the extraction of hydrogen gas.
Le chauffage peut être provoqué par effet Joule lors de la circulation d'un courant électrique, par exemple dans un conducteur intégré à l'unité, par exemple s'étendant au sein de la cathode. Le chauffage peut encore s'effectuer par circulation d'un fluide chaud.The heating can be caused by Joule effect during the circulation of an electric current, for example in a conductor integrated in the unit, for example extending within the cathode. Heating can still be done by circulation of a hot fluid.
L'hydrogène atomique et/ou moléculaire peut être stocké également, le cas échéant, dans le matériau non conducteur électrique de la paroi perméable aux ions. L'hydrogène atomique ou moléculaire produit au sein de l'unité peut être stocké dans la cathode seulement ou, en variante, à la fois dans la cathode et dans le matériau non conducteur électrique.Atomic and / or molecular hydrogen can also be stored, if desired, in the electrically non-conductive material of the ion-permeable wall. The atomic or molecular hydrogen produced within the unit can be stored in the cathode only or, alternatively, both in the cathode and in the electrically nonconductive material.
Par ailleurs, l'hydrogène peut être stocké dans la cathode sous forme atomique et/ou moléculaire, selon le choix notamment du matériau formant la cathode. L'hydrogène gazeux quittant la cathode peut être collecté pour être utilisé dans une pile à combustible et/ou comme combustible ou réactif.Furthermore, the hydrogen can be stored in the cathode in atomic and / or molecular form, depending on the choice in particular of the material forming the cathode. Hydrogen gas leaving the cathode can be collected for use in a fuel cell and / or fuel or reagent.
L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une unité de stockage et de restitution d'hydrogène, comportant :The invention further relates, independently or in combination with the foregoing, to a unit for storing and recovering hydrogen, comprising:
- une anode, - une cathode apte à stocker l'hydrogène atomique et/ou moléculaire, un donneur de cations, notamment d'ions H+, une paroi perméable aux ions, comportant un matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique entre la cathode et le donneur de cations, éventuellement un organe de chauffage de la cathode, - un connecteur électrique permettant d'alimenter électriquement l'anode et la cathode afin de créer entre elles un champ électrique permettant la formation d'hydrogène atomique et/ou moléculaire au moins au sein de la cathode et son stockage au moins dans la cathode, l'unité étant agencée pour collecter l'hydrogène gazeux libéré par la cathode au moins lors du chauffage de celle-ci, l'unité comportant en outre : un connecteur fluidique permettant de canaliser vers l'extérieur de l'unité l'hydrogène gazeux ainsi libéré.an anode, a cathode capable of storing atomic and / or molecular hydrogen, a cation donor, in particular of ions H + , an ion-permeable wall comprising an electrically nonconductive but ionically conductive material between the cathode and the cation donor, optionally a cathode heating element, - an electrical connector for electrically feeding the anode and the cathode to create between them an electric field allowing the formation of atomic and / or molecular hydrogen at least within the cathode and its storage at least in the cathode, the unit being arranged to collect the hydrogen gas released by the cathode at least during the heating thereof, the unit further comprising: a fluidic connector allowing to channel the hydrogen gas thus released towards the outside of the unit.
L'unité de stockage et de restitution d'hydrogène peut comporter une enveloppe extérieure destinée à loger au moins l'anode, la cathode, le donneur de cations, le matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique, l'organe de chauffage éventuel et éventuellement aussi le connecteur électrique. Cette enveloppe extérieure peut être réalisée au moins partiellement dans un matériau synthétique ou métallique. L'anode de l'unité de stockage et de restitution d'hydrogène peut être poreuse et/ou percée d'orifices, étant par exemple réalisée sous forme grillagée ou de mousse métallique ou métallisée.The hydrogen storage and return unit may comprise an outer casing intended to house at least the anode, the cathode, the cation donor, the non-conductive but electrically conductive material, the possible heating element and, if appropriate, also the electrical connector. This outer casing can be made at least partially in a synthetic or metallic material. The anode of the hydrogen storage and recovery unit may be porous and / or pierced with orifices, for example being in the form of a screen or a metallic or metallized foam.
L'organe de chauffage peut comporter une résistance électrique, et être intérieur ou extérieur à l'enveloppe extérieure.The heating member may comprise an electrical resistance, and be inside or outside the outer casing.
L'organe de chauffage peut par exemple permettre de chauffer l'unité à une température supérieure ou égale à 30 0C, mieux 50 0C, par exemple comprise entre 70 et 350 0C.The heating member may, for example, make it possible to heat the unit to a temperature greater than or equal to 30 ° C., more preferably 50 ° C., for example between 70 and 350 ° C.
L'organe de chauffage peut comporter une résistance électrique au moins partiellement disposée dans la cathode ou dans un élément à son contact, par exemple dans un organe élastiquement déformable permettant d'appliquer la cathode contre le matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique et de compenser les variations de volume de la cathode.The heating member may comprise an electrical resistance at least partially disposed in the cathode or in an element in contact with it, for example in an elastically deformable member for applying the cathode against the non-conductive but electrically conductive material and for compensating variations in volume of the cathode.
Lorsque l'organe de chauffage est disposé au moins partiellement dans la cathode, il peut par exemple comporter un fil résistif parcourant la cathode et isolé électriquement de celle-ci.When the heating member is disposed at least partially in the cathode, it may for example comprise a resistive wire traveling through the cathode and electrically isolated therefrom.
L'unité peut comporter en outre un capteur de température, mieux un dispositif de régulation de la température de la cathode, afin par exemple de contrôler le chauffage de la cathode pour adapter la température au débit d'hydrogène souhaité. L'unité peut être configurée pour permettre une dilatation de la cathode pendant son fonctionnement, et notamment assurer un contact permanent entre la cathode et le matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique.The unit may further comprise a temperature sensor, better a device for regulating the temperature of the cathode, for example to control the heating of the cathode to adjust the temperature to the desired hydrogen flow rate. The unit can be configured to allow expansion of the cathode during its operation, and in particular to ensure permanent contact between the cathode and the non-conductive but electrically conductive material.
L'unité peut comporter un organe élastiquement déformable du côté de la cathode opposé au matériau non conducteur électrique de la paroi perméable aux ions, agencé pour solliciter la cathode en appui contre ce matériau non conducteur électrique. Un tel organe élastiquement déformable peut se déformer élastiquement pour compenser une variation de volume de la cathode, par exemple lors du gonflement dû à l'hydrogène accumulé.The unit may comprise an elastically deformable member on the side of the cathode opposite to the electrically non-conductive material of the ion-permeable wall, arranged to urge the cathode to bear against this electrically nonconductive material. Such an elastically deformable member may deform elastically to compensate for a change in volume of the cathode, for example during swelling due to accumulated hydrogen.
L'organe élastiquement déformable est par exemple réalisé au moins partiellement avec un matériau métallique élastiquement déformable, par exemple un acier à ressort, ou avec un élastomère ayant une résistance thermique suffisante, par exemple à base de silicone pouvant supporter une température d'au moins 250 0C. Dans un exemple de réalisation, la cathode est tubulaire, entourant par exemple un espace intérieur permettant sa dilatation. Une telle configuration est souhaitable lorsque la cathode comporte un ou plusieurs composés intermétalliques capables de se dilater lors de l'accumulation d'hydrogène, par exemple d'environ 25 % à 30 % en volume. L'espace intérieur peut loger l'organe élastiquement déformable, lequel se présente par exemple sous la forme d'un manchon en élastomère.The elastically deformable member is for example made at least partially with an elastically deformable metal material, for example a spring steel, or with an elastomer having a sufficient thermal resistance, for example based on silicone that can withstand a temperature of at least 250 0 C. In an exemplary embodiment, the cathode is tubular, surrounding for example an interior space for its expansion. Such a configuration is desirable when the cathode comprises one or more intermetallic compounds capable of expanding upon hydrogen accumulation, for example from about 25% to 30% by volume. The internal space can accommodate the elastically deformable member, which is for example in the form of an elastomeric sleeve.
L'espace intérieur peut encore loger, par exemple, l'organe de chauffage et/ou le capteur de température.The interior space can still accommodate, for example, the heater and / or the temperature sensor.
L'unité peut comporter un connecteur de remplissage et/ou de purge en donneur de cations, éventuellement muni d'un clapet s'ouvrant lors de la connexion avec un système de remplissage ou de purge extérieur à l'unité.The unit may comprise a filling connector and / or purge cation donor, optionally provided with a valve opening on connection with a filling system or purging outside the unit.
L'unité peut comporter un raccord de sortie d'hydrogène permettant d'acheminer à l'extérieur de l'unité l'hydrogène gazeux relargué.The unit may include a hydrogen outlet fitting for conveying the liberated hydrogen gas outside the unit.
Ces connecteurs de remplissage et/ou de purge et de sortie d'hydrogène peuvent être munis de systèmes d'étanchéité appropriés, tels que des joints toriques, par exemple.These connectors fill and / or purge and hydrogen outlet may be provided with suitable sealing systems, such as O-rings, for example.
L'invention a encore pour objet un dispositif de recharge d'une unité telle que définie ci-dessus, comportant au moins un logement pour recevoir l'unité de stockage et au moins un connecteur électrique à relier au connecteur électrique de l'unité afin de générer un champ électrique entre la cathode et l'anode et, le cas échéant, chauffer la cathode.The invention also relates to a charging device of a unit as defined above, comprising at least one housing for receiving the storage unit and at least one electrical connector to be connected to the electrical connector of the unit so to generate an electric field between the cathode and the anode and, if necessary, heat the cathode.
Le dispositif de recharge peut comporter plusieurs logements permettant de recharger plusieurs unités simultanément ou successivement.The recharging device can comprise several housings allowing to recharge several units simultaneously or successively.
D'autre part, le dispositif de recharge peut comporter un logement permettant de recevoir une réserve d'eau ou d'électrolyte permettant d'alimenter la ou les unités par un circuit intérieur, et éventuellement de récupérer l'électrolyte lors du vidage de ces unités.On the other hand, the recharging device may comprise a housing for receiving a supply of water or electrolyte for supplying the unit or units with an internal circuit, and optionally recovering the electrolyte during the emptying of these cells. units.
Le dispositif de recharge peut être agencé pour surveiller la charge et interrompre celle-ci lorsque certaines conditions sont atteintes.The charging device can be arranged to monitor the charge and interrupt it when certain conditions are reached.
Le dispositif de recharge peut comporter un ou plusieurs indicateurs de fin de recharge, par exemple une ou plusieurs diodes électroluminescentes et/ou un dispositif de détection de pression. Une détection de l'augmentation de la pression peut traduire une saturation de la cathode en hydrogène et la fin de la possibilité de stockage. Le dispositif de recharge peut être agencé pour couper l'alimentation électrique à partir d'une certaine valeur de la pression.The recharging device may comprise one or more end-of-charge indicators, for example one or more light-emitting diodes and / or a pressure detection device. Detection of the increase in pressure can translate a saturation of the cathode into hydrogen and the end of the possibility of storage. The charging device can be arranged to cut the power supply from a certain value of the pressure.
Le dispositif de recharge peut comporter, par exemple au fond de chacun des logements destinés à recevoir une unité, au moins un connecteur à raccorder à la sortie d'hydrogène et/ou avec le ou les connecteurs de remplissage et/ou de purge mentionnés ci- dessus. Un ou plusieurs clapets peuvent être actionnés lors de la mise en place d'une recharge dans le dispositif de recharge.The recharging device may comprise, for example at the bottom of each of the housings intended to receive a unit, at least one connector to be connected to the hydrogen outlet and / or with the filling and / or purge connector (s) mentioned above. - above. One or more valves may be actuated during the introduction of a refill in the charging device.
L'invention a encore pour objet un procédé comportant l'étape consistant à alimenter une pile à combustible avec l'hydrogène extrait d'une unité de stockage telle que définie ci-dessus.The invention further relates to a method comprising the step of supplying a fuel cell with the hydrogen extracted from a storage unit as defined above.
Dans le cas où l'unité est destinée à être introduite dans un appareil électrique, l'unité de stockage peut, avant son introduction, être vidée du donneur de cations, notamment dans le cas où ce dernier est un liquide. Ce vidage peut s'effectuer vers le dispositif de recharge précité, par exemple. L'invention a encore pour objet un appareil électrique, notamment téléphone ou ordinateur portable, comportant au moins un logement permettant de recevoir au moins une unité de stockage telle que définie ci-dessus.In the case where the unit is intended to be introduced into an electrical appliance, the storage unit may, before its introduction, be emptied of the cation donor, in particular in the case where the latter is a liquid. This emptying can be performed to the aforementioned charging device, for example. The invention also relates to an electrical appliance, in particular a telephone or laptop, comprising at least one housing for receiving at least one storage unit as defined above.
L'unité peut être configurée pour fonctionner à température ambiante, voire à une température supérieure à 60 0C, par exemple plus de 100 0C, et par exemple à une pression interne comprise entre 0, 1 bar et 100 bars. Le stockage dans la cathode peut être amélioré sous pression.The unit may be configured to operate at ambient temperature or even at a temperature greater than 60 ° C., for example more than 100 ° C., and for example at an internal pressure of between 0.1 bar and 100 bar. The storage in the cathode can be improved under pressure.
L'unité peut, le cas échéant, être couplée à une pile à combustible, par exemple au sein d'un ensemble monobloc.The unit may, where appropriate, be coupled to a fuel cell, for example within a one-piece assembly.
La pile à combustible peut partager une enveloppe avec l'unité de production et de stockage d'hydrogène, le cas échéant.The fuel cell can share an envelope with the hydrogen production and storage unit, if any.
Dans un tel cas, le déstockage d'hydrogène s'effectue vers la pile à combustible sans sortir de l'enveloppe contenant l'unité de stockage et la pile à combustible.In such a case, the destocking of hydrogen takes place to the fuel cell without leaving the envelope containing the storage unit and the fuel cell.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente de manière schématique et simplifiée des unités de stockage et de production d'hydrogène, ainsi que le dispositif de recharge associé, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 , les unités de production et de stockage d'hydrogène étant retirées du dispositif de recharge, la figure 3 est une vue éclatée représentant un ensemble comportant une unité de stockage et de production et une pile à combustible, - la figure 4 représente l'ensemble de la figure 3, à l'état assemblé, la figure 5 représente une variante de réalisation de l'unité,The invention will be better understood on reading the following detailed description, non-limiting examples of implementation thereof, and on examining the appended drawing, in which: FIG. schematic and simplified hydrogen storage and production units, as well as the associated charging device, FIG. 2 is a view similar to FIG. 1, the hydrogen production and storage units being removed from the charging device, FIG. 3 is an exploded view showing an assembly comprising a storage and production unit and a fuel cell, - Figure 4 shows the assembly of Figure 3, in the assembled state, Figure 5 shows an alternative embodiment of the unit,
- la figure 6 est une coupe longitudinale, schématique et partielle, de l'unité de la figure 5, la figure 7 est une coupe schématique et partielle d'une variante de réalisation de l'unité, et la figure 8 représente des exemples de taux de chargement d'hydrogène en fonction du temps, selon plusieurs tensions appliquées entre l'anode et la cathode.FIG. 6 is a diagrammatic and partial longitudinal section of the unit of FIG. 5, FIG. 7 is a schematic and partial section of an alternative embodiment of the unit, and FIG. 8 represents examples of FIG. rate of hydrogen loading as a function of time, according to several voltages applied between the anode and the cathode.
On a représenté à la figure 1 un système 1 comportant deux unités amovibles 2 de production et de stockage d'hydrogène et un dispositif de recharge 3 permettant de recharger ces unités 2 en hydrogène entre deux utilisations successives.FIG. 1 shows a system 1 comprising two removable units 2 for producing and storing hydrogen and a recharging device 3 for recharging these units 2 in hydrogen between two successive uses.
Le dispositif de recharge 3 peut comporter, comme on le voit sur la figure 2 notamment, des logements 4 pour recevoir chacun une unité 2 et peut comporter un réservoir 5 qui peut être rempli d'un liquide destiné aux unités 2, par exemple l'électrolyte.The charging device 3 may comprise, as can be seen in FIG. 2 in particular, housings 4 for each receiving a unit 2 and may comprise a reservoir 5 which can be filled with a liquid intended for the units 2, for example the electrolyte.
Dans une variante, le dispositif de recharge 3 comporte un logement 4 unique. Chaque unité 2 peut, comme illustré sur les figures 3 et 4, être agencée pour être couplée lors de l'utilisation à une pile à combustible 6, par exemple au sein d'un ensemble 10 comprenant au moins un connecteur fluidique permettant de récupérer l'hydrogène produit par l'unité 2 afin de l'injecter dans la pile à combustible 6 et un connecteur électrique permettant d'alimenter électriquement l'unité 2, afin par exemple de provoquer par chauffage la libération de l'hydrogène stocké.In a variant, the charging device 3 comprises a single housing 4. Each unit 2 may, as illustrated in FIGS. 3 and 4, be arranged to be coupled during use to a fuel cell 6, for example within an assembly 10 comprising at least one fluidic connector making it possible to recover the hydrogen produced by the unit 2 for injection into the fuel cell 6 and an electrical connector for electrically powering the unit 2, for example to cause by heating the release of the stored hydrogen.
L'ensemble 10 peut comporter, comme illustré à la figure 4, un connecteur électrique 11 permettant à la pile à combustible d'alimenter électriquement l'appareil électrique dans lequel l'ensemble 10 est introduit.The assembly 10 may comprise, as illustrated in Figure 4, an electrical connector 11 for the fuel cell to electrically power the electrical apparatus in which the assembly 10 is introduced.
On a représenté à la figure 3 un autre exemple d'unité 2, présentant une forme généralement cylindrique.FIG. 3 shows another example of unit 2, having a generally cylindrical shape.
Cette unité 2 comporte une enveloppe extérieure 15 qui comporte un couvercle 16 à une extrémité. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à une forme d'enveloppe 15 particulière, et celle-ci peut être monobloc, le cas échéant. L'enveloppe 15 loge dans l'exemple considéré une anode 20, laquelle est avantageusement perforée afin d'accroître la surface d'échange, une paroi 21 perméable aux ions, comportant un matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique, une cathode 22 réalisée dans un matériau permettant le stockage d'hydrogène et un organe de rappel élastique 24.This unit 2 comprises an outer casing 15 which has a cover 16 at one end. Of course, the invention is not limited to a particular envelope shape, and this may be in one piece, if appropriate. The casing 15 accommodates in the example considered an anode 20, which is advantageously perforated in order to increase the exchange surface, an ion-permeable wall 21 comprising an electrically nonconductive but ionically conductive material, a cathode 22 made in a material for storing hydrogen and an elastic return member 24.
Le matériau de la paroi 21 perméable aux ions, qui est disposé au contact de la cathode 22, est non conducteur électrique mais conducteur ionique, afin de pouvoir être traversé par les ions H+. Le stockage de l'hydrogène est favorisé lorsque la surface de contact entre la cathode 22 et ce matériau 21 non conducteur électrique est grande. La paroi 21 présente par exemple une forme tubulaire fermée par un fond, du côté opposé au couvercle 16.The material of the wall 21 permeable to ions, which is disposed in contact with the cathode 22, is electrically non-conductive but ionic conductor, in order to be traversed by the H + ions. Storage of hydrogen is favored when the contact area between the cathode 22 and this electrically nonconductive material 21 is large. The wall 21 has for example a tubular shape closed by a bottom, on the opposite side to the cover 16.
Le matériau non conducteur de la paroi 21 peut comporter du nitrure de bore hexagonal, activé par l'électrolyte en étant laissé plusieurs heures à son contact, sous un champ électrique. L'organe de rappel 24 est par exemple un manchon en une matière élastomère telle que du silicone, capable de résister à la température à laquelle la cathode 22 est chauffée pour libérer l'hydrogène.The non-conductive material of the wall 21 may comprise hexagonal boron nitride, activated by the electrolyte being left several hours in contact, under an electric field. The return member 24 is for example a sleeve of an elastomeric material such as silicone, capable of withstanding the temperature at which the cathode 22 is heated to release the hydrogen.
La paroi 21 et l'organe de rappel 24 peuvent confiner entre eux la cathode 22 lorsque celle-ci est liquide ou pulvérulente. L'organe de rappel 24 permet de presser la cathode 22 contre la paroi 21, afin d'assurer un contact entre les deux malgré les dilatations de la cathode 22.The wall 21 and the return member 24 may confine with each other the cathode 22 when the latter is liquid or powdery. The return member 24 makes it possible to press the cathode 22 against the wall 21, in order to ensure contact between the two despite the expansions of the cathode 22.
L'unité 2 peut loger un organe de chauffage 25 permettant de chauffer la cathode 22 afin de provoquer la libération d'hydrogène accumulé.Unit 2 can accommodate a heater 25 for heating cathode 22 to cause release of accumulated hydrogen.
L'unité 2 peut également être munie d'un capteur de température 26, représenté très schématiquement sur la figure 6, afin d'éviter toute surchauffe et/ou contrôler le débit d'hydrogène libéré grâce à une régulation du chauffage de la cathode 22.The unit 2 can also be provided with a temperature sensor 26, shown very schematically in FIG. 6, in order to avoid overheating and / or to control the flow rate of hydrogen released by regulating the heating of the cathode 22 .
La sortie de l'hydrogène hors de l'unité peut avoir lieu par un orifice 27 qui forme ou est équipé d'un connecteur mâle ou femelle, éventuellement muni d'un clapet.The exit of the hydrogen out of the unit can take place by an orifice 27 which forms or is equipped with a male or female connector, possibly equipped with a valve.
Une circulation d'électrolyte peut avoir lieu à travers l'unité, au moyen d'orifices 14. L'électrolyte en circulation vient au contact de l'anode 20 et de la paroi 21.An electrolyte circulation can take place through the unit, by means of orifices 14. The circulating electrolyte comes into contact with the anode 20 and the wall 21.
Conformément à un aspect de l'invention, la cathode 22 est réalisée dans un matériau apte à stocker l'hydrogène, par exemple un matériau hydrurable. Sous l'effet d'un champ électrique créé entre l'anode 20 et la cathode 22, l'anode étant branchée au pôle positif d'un générateur électrique qui est par exemple intégré au dispositif de recharge 3, et la cathode au pôle négatif de ce générateur électrique, les cations H+ contenus dans l'électrolyte migrent à travers la paroi 21 vers la cathode 22 et se réduisent en hydrogène atomique à l'interface de la cathode 22 et de la paroi 21. L'hydrogène atomique et/ou moléculaire ainsi généré est directement stocké dans la cathode 22, et éventuellement dans la paroi 21 si celle-ci est réalisée conformément à la demande WO 2006/003328.According to one aspect of the invention, the cathode 22 is made of a material capable of storing hydrogen, for example a hydrurable material. Under the effect of an electric field created between the anode 20 and the cathode 22, the anode being connected to the pole positive of an electric generator which is for example integrated to the charging device 3, and the cathode to the negative pole of this electric generator, the H + cations contained in the electrolyte migrate through the wall 21 to the cathode 22 and reduce atomic hydrogen at the interface of the cathode 22 and the wall 21. The atomic and / or molecular hydrogen thus generated is directly stored in the cathode 22, and possibly in the wall 21 if this is carried out in accordance with the WO 2006/003328.
L'hydrogène est de préférence stocké dans la cathode sous forme d'hydrogène atomique, étant fixé directement par adsorption dans la cathode. Dans le cas où la cathode comporte un composé intermétallique, l'hydruration de la cathode peut se faire par une réaction de chimissorption, l'hydrogène moléculaire se scindant en hydrogène atomique au contact du composé intermétallique. Afin de favoriser cette réaction de chimissorption, la cathode hydrurable peut éventuellement être chauffée et/ou mise sous pression.Hydrogen is preferably stored in the cathode as atomic hydrogen, being directly adsorbed in the cathode. In the case where the cathode comprises an intermetallic compound, the hydriding of the cathode can be done by a chemissorption reaction, the molecular hydrogen splitting into atomic hydrogen in contact with the intermetallic compound. In order to promote this chemissorption reaction, the hydrophilic cathode may optionally be heated and / or pressurized.
Si le diamètre des pores de la paroi 21 est inférieur aux dimensions des ions H3O+ contenus dans le donneur d'ions H+, l'intensité du champ électrique appliqué entre l'anode et la cathode doit être suffisante pour provoquer la rupture des ions H3O+ selon la réaction :If the pore diameter of the wall 21 is smaller than the dimensions of the H 3 O + ions contained in the H + ion donor, the intensity of the electric field applied between the anode and the cathode must be sufficient to cause the rupture H 3 O + ions according to the reaction:
H3O+ -» H2O + H+ H 3 O + - »H 2 O + H +
La réaction consomme de l'eau, laquelle est présente de préférence dans l'électrolyte.The reaction consumes water, which is preferably present in the electrolyte.
La réaction de fabrication d'hydrogène provoque également un dégagement gazeux d'oxygène. Ce dégagement gazeux peut se traduire par la formation de bulles à l'anode 20, dans l'électrolyte.The hydrogen production reaction also causes a gaseous release of oxygen. This gas evolution can result in the formation of bubbles at the anode 20 in the electrolyte.
L'oxygène gazeux fabriqué lors de la production de l'hydrogène peut être récupéré à une sortie correspondante ménagée dans l'unité, et stocké ou utilisé directement, ou encore libéré dans l'atmosphère.The gaseous oxygen produced during the production of hydrogen can be recovered at a corresponding outlet in the unit, and stored or used directly, or released into the atmosphere.
Il est possible d'extraire l'hydrogène ainsi stocké en chauffant la cathode et/ou en mettant cette dernière en dépression, pour alimenter par exemple une pile à combustible et/ou utiliser l'hydrogène comme combustible ou réactif. De préférence, l'unité est vidée de l'électrolyte avant le chauffage de la cathode. Ce vidage peut s'effectuer vers le dispositif de recharge, par exemple.It is possible to extract the hydrogen thus stored by heating the cathode and / or by putting the latter in depression, for example to supply a fuel cell and / or to use hydrogen as fuel or reagent. Preferably, the unit is emptied of the electrolyte before heating the cathode. This emptying can be done to the charging device, for example.
Le débit d'hydrogène extrait peut être contrôlé en agissant par exemple sur la température de chauffage de la cathode. Dans une variante non illustrée, l'organe de chauffage est extérieur à l'enveloppe 15.The flow of hydrogen extracted can be controlled by acting for example on the heating temperature of the cathode. In a variant that is not illustrated, the heating member is outside the casing 15.
Dans la variante illustrée à la figure 7, l'organe de chauffage 25 est disposé au sein de la cathode 22. On a également illustré sur cette figure la possibilité pour l'anode 20 d'être supportée par la paroi 21 perméable aux ions.In the variant illustrated in FIG. 7, the heating member 25 is disposed within the cathode 22. This figure also illustrates the possibility for the anode 20 to be supported by the ion-permeable wall 21.
L'anode 20 est traversée par l'électrolyte 40, lequel peut communiquer le cas échéant avec une réserve située du côté de l'anode 20 qui est opposé à la cathode 22.The anode 20 is crossed by the electrolyte 40, which may optionally communicate with a reserve located on the side of the anode 20 which is opposite the cathode 22.
La paroi 21 perméable aux ions peut présenter une structure multicouche, avec par exemple, comme illustré à la figure 7, une couche de support 21a et une couche 21b de matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique.The ion-permeable wall 21 may have a multilayer structure, with for example, as illustrated in FIG. 7, a support layer 21a and a layer 21b of non-conductive but electrically conductive material.
La couche de support 21a peut être constituée par une céramique poreuse, par exemple.The support layer 21a may be constituted by a porous ceramic, for example.
La présence de la couche de support 21a peut permettre de réduire l'épaisseur de la couche 21b en assurant la fonction de maintien de cette couche 21b.The presence of the support layer 21a can reduce the thickness of the layer 21b by providing the maintenance function of this layer 21b.
La couche 21a peut également permettre d'utiliser une anode 20 ayant une moindre tenue mécanique, en supportant celle-ci.The layer 21a can also make it possible to use an anode 20 having a lower mechanical strength, by supporting it.
La figure 8 représente un exemple de résultats obtenus avec une unité similaire à celle de l'exemple de la figure 6, à l'exception de l'organe de chauffage, placé à l'extérieur de l'enveloppe.FIG. 8 represents an example of results obtained with a unit similar to that of the example of FIG. 6, with the exception of the heating element, placed outside the envelope.
L'anode utilisée est en graphite. La paroi 21 est en nitrure de bore hexagonal activé en étant laissé trois heures au contact de l'électrolyte sous tension de 50 volts. La paroi 21 est par exemple réalisée par usinage d'un barreau, avec une épaisseur de 1 mm.The anode used is graphite. The wall 21 is hexagonal boron nitride activated by being left three hours in contact with the electrolyte under tension of 50 volts. The wall 21 is for example made by machining a bar, with a thickness of 1 mm.
L'électrolyte est de l'acide sulfurique 5M. La cathode 22 est à base de LaNi5 pulvérulent utilisé dans les batteries NiMH.The electrolyte is 5M sulfuric acid. The cathode 22 is based on LaNi 5 powder used in NiMH batteries.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described.
L'unité peut être réalisée avec des formes et tailles différentes et avec d'autres matériaux. Le cas échéant, l'anode et la cathode peuvent être interdigitées. L'unité peut comporter plusieurs cellules de production de stockage comportant chacune une cathode et une anode. L'électrolyte peut être situé intérieurement, étant entouré par l'anode, la paroi perméable aux ions et la cathode, laquelle est ainsi extérieure par rapport à l'anode et peut elle-même être entourée par un organe élastiquement déformable. L'expression « comportant » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié. The unit can be made with different shapes and sizes and with other materials. If necessary, the anode and the cathode can be interdigitated. The unit may include a plurality of storage generating cells each having a cathode and an anode. The electrolyte may be located internally, being surrounded by the anode, the ion-permeable wall and the cathode, which is thus external to the anode and may itself be surrounded by an elastically deformable member. The expression "comprising" should be understood as being synonymous with "having at least one", unless the opposite is specified.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de stockage et de production d'hydrogène, dans lequel pour stocker de l'hydrogène, une unité (2) comportant : - un donneur de cations, notamment d'ions H+, une anode (20), une cathode apte à stocker l'hydrogène atomique et/ou moléculaire (22), une paroi (21) perméable aux ions, comportant un matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique, entre la cathode et le donneur de cations, est soumise à un champ électrique permettant la formation, au moins à l'interface de la cathode et du matériau non conducteur électrique, d'hydrogène atomique et/ou moléculaire et son stockage au sein de la cathode au moins, et dans lequel, pour restituer de l'hydrogène gazeux, la cathode est chauffée et/ou mise en dépression. 1. A method for storing and producing hydrogen, wherein for storing hydrogen, a unit (2) comprising: a cation donor, in particular an H + ion, an anode (20), a cathode capable of storing the atomic and / or molecular hydrogen (22), an ion-permeable wall (21) having an electrically nonconductive but ionically conductive material between the cathode and the cation donor is subjected to an electric field for forming at least at the interface of the cathode and of the electrically nonconductive material, of atomic and / or molecular hydrogen and its storage within the at least one cathode, and wherein, to restore gaseous hydrogen, the cathode is heated and / or depressed.
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la paroi (21) perméable aux ions a une perméabilité à l'eau inférieure à 5% de la masse d'hydrogène produit.2. Method according to the preceding claim, wherein the wall (21) permeable to ions has a permeability to water less than 5% of the mass of hydrogen produced.
3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la cathode contient moins de 5% massique d'eau. 3. Method according to the preceding claim, wherein the cathode contains less than 5% by weight of water.
4. Procédé selon l'une quelconques revendications précédentes, dans lequel la paroi (21) perméable aux ions a une perméabilité à l'eau nulle.The method of any preceding claim, wherein the ion-permeable wall (21) has zero water permeability.
5. Procédé selon l'une quelconques revendications précédentes, la cathode comportant un composé intermétallique, notamment choisi dans la liste suivante : de type AB5 (A et B étant des métaux), par exemple LaNi5, les phases de laves (Zr, Ti) (Mn, V, Cr, Ni)2, par exemple ZrMn2 ou TiMn2, Mg, TiFe, Mg2Ni, les solutions solides cubiques centrées à base de vanadium, BaReHg (la formule correspondant à l'état hydruré), Mg2FeH6 (la formule correspondant à l'état hydruré), NaAH4 (la formule correspondant à l'état hydruré), LiBH4 (la formule correspondant à l'état hydruré), et tous leurs composés, dérivés ou leurs alliages. 5. Process according to any one of the preceding claims, the cathode comprising an intermetallic compound, in particular chosen from the following list: of type AB5 (A and B being metals), for example LaNi 5 , the lava phases (Zr, Ti ) (Mn, V, Cr, Ni) 2 , for example ZrMn 2 or TiMn 2 , Mg, TiFe, Mg 2 Ni, vanadium-centered solid cubic solutions, BaReHg (the formula corresponding to the hydrided state), Mg 2 FeH 6 (the formula corresponding to the hydrided state), NaAH 4 (the formula corresponding to the hydrided state), LiBH 4 (the formula corresponding to the hydride state), and all their compounds, derivatives or their alloys .
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le matériau non conducteur électrique comportant une céramique, notamment comportant du nitrure de bore hexagonal, mieux du nitrure de bore activé par une solution acide sous champ électrique, du nitrure de lithium, un polymère conducteur ionique, de l'acide borique.6. Method according to one of the preceding claims, the electrically non-conductive material comprising a ceramic, in particular comprising a nitride of hexagonal boron, better boron nitride activated by an acid solution under electric field, lithium nitride, an ionic conductive polymer, boric acid.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la paroi (21) perméable aux ions comportant une ou plusieurs couches de matériaux différents, l'une au moins de ces couches exerçant une fonction de conducteur cationique.7. Method according to one of the preceding claims, the wall (21) permeable to ions comprising one or more layers of different materials, at least one of these layers exerting a cationic conductor function.
8. Procédé selon la revendication précédente, la paroi (21) comportant une couche poreuse ayant une fonction de support entre la couche ayant la fonction de conducteur cationique et Pélectrolyte.8. Method according to the preceding claim, the wall (21) comprising a porous layer having a support function between the layer having the cationic conductor function and the electrolyte.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le donneur de cations étant une solution aqueuse acide.9. Process according to any one of the preceding claims, wherein the cation donor is an acidic aqueous solution.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on fait circuler le donneur de cations dans l'unité.The process according to any of the preceding claims, wherein the cation donor is circulated in the unit.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tension appliquée entre l'anode et la cathode lors de la production d'hydrogène est comprise entre 1 et 300 volts mieux entre 1,24 et 200 volts, de préférence entre 1,24 et 4 volts.11. A method according to any one of the preceding claims, wherein the voltage applied between the anode and the cathode during the production of hydrogen is between 1 and 300 volts better between 1.24 and 200 volts, preferably between 1.24 and 4 volts.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cathode est chauffée à une température supérieure à 30 0C, notamment comprise entre 70 et 350 C, pour produire l'hydrogène gazeux. 12. Method according to any one of the preceding claims, wherein the cathode is heated to a temperature above 30 0 C, especially between 70 and 350 C, to produce hydrogen gas.
13. Procédé selon la revendication 12, le chauffage étant provoqué par effet13. The method of claim 12, the heating being caused by effect
Joule lors de la circulation d'un courant électrique.Joule during the circulation of an electric current.
14. Procédé selon la revendication 12, le chauffage ayant lieu après évacuation de l'électrolyte.14. The method of claim 12, the heating taking place after evacuation of the electrolyte.
15. Procédé selon la revendication 12, l'unité étant chauffée à une température inférieure à celle produisant le déstockage d'hydrogène, durant la phase de production et stockage d'hydrogène, afin d'améliorer ce dernier.15. The method of claim 12, the unit being heated to a temperature below that producing the destocking of hydrogen, during the phase of production and storage of hydrogen, in order to improve the latter.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l'hydrogène atomique et/ou moléculaire est stocké également dans le matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique. The method of any of the preceding claims, wherein atomic and / or molecular hydrogen is also stored in the electrically nonconductive but ionically conductive material.
17. Unité (2) de stockage et de restitution d'hydrogène comportant : une anode (20), une cathode (22) apte à stocker l'hydrogène atomique et/ou moléculaire, un donneur de cations, notamment d'ions H+, une paroi (21) perméable aux ions, comportant un matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique entre la cathode et le donneur de cations, éventuellement un organe (25) de chauffage de la cathode, - un connecteur électrique permettant d'alimenter électriquement l'anode et la cathode afin de créer entre elles un champ électrique permettant la formation d'hydrogène atomique et/ou moléculaire au moins au sein de la cathode et de son stockage au moins dans la cathode, l'unité étant agencée pour collecter l'hydrogène gazeux libéré par la cathode au moins lors du chauffage de celle-ci, l'unité comportant en outre : un connecteur fiuidique permettant de canaliser vers l'extérieur de l'unité l'hydrogène gazeux ainsi libéré.17. Unit (2) for storing and recovering hydrogen comprising: an anode (20), a cathode (22) capable of storing atomic and / or molecular hydrogen, a cation donor, in particular of H + ions, an ion-permeable wall (21) comprising an electrically nonconductive but ionically conductive material between the cathode and the cation donor, optionally a member (25) for heating the cathode, an electrical connector for electrically feeding the anode and cathode in order to create between them an electric field allowing the formation of atomic and / or molecular hydrogen at least within the cathode and its storage at least in the cathode , the unit being arranged to collect the hydrogen gas released by the cathode at least during heating thereof, the unit further comprising: a fluidic connector for channeling hydrogen to the outside of the unit gas thus released.
18. Unité selon la revendication précédente, le moyen de chauffage comportant une résistance électrique.18. Unit according to the preceding claim, the heating means comprising an electrical resistance.
19. Unité selon l'une des deux revendications précédentes, comportant en outre un dispositif (26) de régulation de la température de la cathode.19. Unit according to one of the two preceding claims, further comprising a device (26) for regulating the temperature of the cathode.
20. Unité selon l'une quelconque des trois revendications précédentes, dans laquelle la cathode (22) comporte un composé intermétallique20. Unit according to any one of the three preceding claims, wherein the cathode (22) comprises an intermetallic compound
21. Unité selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, dans laquelle le matériau non conducteur électrique comporte une céramique, notamment une céramique amorphe.21. Unit according to any one of claims 17 to 20, wherein the non-electrically conductive material comprises a ceramic, in particular an amorphous ceramic.
22. Unité selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, le donneur de cations étant une solution acide aqueuse. 22. Unit according to any one of claims 17 to 21, the cation donor being an aqueous acid solution.
23. Unité selon l'une quelconque des revendications 17 à 22, comportant un organe de rappel élastique (24) pour solliciter la cathode en appui contre le matériau non conducteur électrique mais conducteur ionique.23. Unit according to any one of claims 17 to 22, comprising an elastic return member (24) for biasing the cathode against the non-conductive electrical material but ionic conductor.
24. Unité selon l'une quelconque des revendications 17 à 23, comportant un connecteur de remplissage et/ou de purge en donneur de cations. 24. Unit according to any one of claims 17 to 23, comprising a filling connector and / or purge cation donor.
25. Unité selon l'une quelconque des revendications 17 à 24, comportant un raccord permettant l'extraction de l'hydrogène gazeux stocké. 25. Unit according to any one of claims 17 to 24, comprising a connector for extracting the stored hydrogen gas.
26. Unité selon l'une quelconque des revendications 17 à 25, l'anode (20) étant supportée par la paroi (21) perméable aux ions.26. Unit according to any one of claims 17 to 25, the anode (20) being supported by the wall (21) permeable to ions.
27. Procédé de production d'électricité, comportant l'étape consistant à alimenter une pile à combustible avec de l'hydrogène extrait d'une unité de stockage telle que définie dans l'une quelconque des revendications 17 à 26.27. A method of producing electricity, comprising the step of supplying a fuel cell with hydrogen extracted from a storage unit as defined in any one of claims 17 to 26.
28. Dispositif de recharge d'une unité telle que définie dans l'une quelconque des revendications 17 à 26, comportant au moins un logement (4) pour recevoir l'unité (2) et au moins un connecteur électrique à relier au connecteur électrique de l'unité afin de générer un champ électrique entre la cathode et l'anode. 28. Device for recharging a unit as defined in any one of claims 17 to 26, comprising at least one housing (4) for receiving the unit (2) and at least one electrical connector to be connected to the electrical connector. of the unit to generate an electric field between the cathode and the anode.
29. Appareil électrique, notamment téléphone ou ordinateur portable, comportant au moins un logement permettant de recevoir au moins une unité de stockage selon l'une quelconque des revendications 17 à 26. 29. Electrical apparatus, in particular a telephone or laptop, comprising at least one housing for receiving at least one storage unit according to any one of claims 17 to 26.
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