WO2009156610A2 - Systemes pour la production de l'energie a la demande comme une source seule ou en assistance avec autres sources d'energie dans le domaine du transport ou de l'habitat - Google Patents

Systemes pour la production de l'energie a la demande comme une source seule ou en assistance avec autres sources d'energie dans le domaine du transport ou de l'habitat Download PDF

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Definitions

  • Hydrogen can replace oil as an energy carrier for transportation.
  • the technology is already in the demonstration stage for road transport. Providing an appropriate solution to the challenges of climate change and the depletion of fossil fuel reserves results in the use of a cleaner and less polluting source of energy under better conditions, with the most suitable options. to equip our means of transport as well as our means of electricity production and heat in the habitats while respecting the constraints related to respect for the environment.
  • the present invention provides an effective and innovative solution for the production of energy and hydrogen assistance from the abundant natural resources available to humans.
  • This is a technique of producing hydrogen by a super efficient electrolysis system that provides a solution to the problems associated with the electrolysis technique that are; the heat, consumption, energy efficiency and maintenance related to the permanent deposition in the electrolysis cell with a technique of production of hydrogen (H2) and oxygen (1/2 02) at rates which make it possible to reuse the gases produced to maintain the cycle of electrolysis and beyond for additional work that involves the production of electricity.
  • H2 hydrogen
  • oxygen 1/2 02
  • the electrolysis cell consists of two electrodes (cathode and anode), an electrolyte and a current generator.
  • a current generator we have the following reactions: - At the anode, the water dissociates into oxygen and protons. The electrons leave in the circuit.
  • R & D The issues of R & D are fairly well identified. They involve: - New materials: electrodes and catalysts in cheaper materials; - Electrolytes at higher temperature (Solid Oxide Fuel CeII-SOFC, or Fuel Cell with Solid Oxide) or lower (Proton Exchange Membrane Fuel CeII-PEMFC or Fuel Cell Proton Exchange Membrane); Direct use of methane as a fuel that remains a path to explore; - The thermal and dynamic management of the device and its behavior in real situation. One of the major objectives is the lowering of the cost of the kW (from around € 20k today to € 0.5 or € 1k / h).
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of electrolysers and existing hydrogen cells and aims to provide a clean source of energy, able to provide electricity or hydrogen for the sectors of housing, transport or industry.
  • this energy generator is characterized by the following advantages:
  • a modular system whose flow remains variable and adapts to the needs and the demand at a given moment.
  • An intermediate buffer stage to compensate for the inertia related to the system time constant during acceleration and deceleration of the motor.
  • a variant of this innovative advantage generates energy that can serve as a source of battery charging in case of deceleration.
  • This generator is also an innovative electrolysis system whose production of gases
  • Hydrogen and Oxygen is controlled by the variation in intensity of the current (I), duration of the pulse (t), exposed surfaces of the electrodes and the number of modules.
  • a current controller drawn by the system from an external power source (conventional or renewable power source, alternator, thermoelectric or battery).
  • a super efficient electrolyser provided with nano metal electrodes, a control and control system for ionic concentration and temperature operating with a yield of 85%.
  • a low-cost system that saves energy and fuel in the transportation and housing sectors.
  • Another advantage of this invention is the use of electricity produced by the hydrogen battery with a nomadic configuration which ensures a remarkable portability and flexibility of use.
  • An obvious consequence of the present invention is that as long as the hydrogen or oxygen produced by the super electrolyser is not consumed, the loss is limited to the amount of hydrogen or oxygen essentially related to possible leaks and the mechanics of implementation. So we can recover the starting water at the outlet of the pile at hydrogen in the circuit and to direct it to the main tank starting electrolysis, after recovering energy in the form of electricity ON DEMAND. The H and O gases remain in the closed circuit of the present invention. There is only one change of state at each stage.
  • the invention relates to an energy generator in assistance or alone with a high efficiency gas on demand and simultaneous energy production needs.
  • the understanding of the present invention is simplified by its structure. It is a modular construction that makes it possible to produce different products according to the combinations used according to the need and the field of application. We will therefore present the various aspects of this invention in detail for each basic important element namely:
  • - MATRIX a. Interconnections and interface with its modules b. Control electronics and controls c. Module Power Interface d. Interfaces Monitor screen e. Tank and main pump f. Tank and pump ion concentration g. Bulleur (s) h. Filtering system and associated circuits i. Buffer stage j. Interface compartment
  • FIG. 6A The simplified principle of operation of producing hydrogen on demand in this invention is as described by the figures (FIG. 6A) for stationary systems with a variant for on-board vehicle systems for example (FIG. 6B).
  • the electrolyser matrix is composed of several distinct parts:
  • the main reservoir of the matrix contains the electrolyte of all the modules.
  • the production will be 1285 liters of gas per hour, or 20 l / min (on the basis of a yield of 85% corresponding to about 4 hours of full operation). diet).
  • the inventors have noticed that 200 1 / hour of HHO gas was sufficient for the enrichment in GEH of internal combustion engines (up to 4 liters of displacement). For this quantity the autonomy of the system will increase to 25 hours. .
  • the production of hydrogen is controlled by the electronic control board composed of:
  • control point is characterized by the "Control - Command” pair:
  • Control Generally an input from a sensor to the electronic control unit.
  • 2- Command Mainly "a control output from the control electronics to the destination device usually linked to an action or sensor or display”.
  • the mechanics or actuator / control regulator itself managing a flow The essential control functions are: - Check of the operating state (by oil pressure sensor in the case of a vehicle for example).
  • the polarity change system can be activated.
  • the control electronics of the unit continuously determines the flow of hydrogen by measuring the volume of gas produced by the flow meters installed at the outlet of the gas drying system and informs the user by display on monitor screen. All the Important information can be viewed on the screen of the same monitor. This information is illustrated by Figures 7 and 9.
  • the (or) electrolytic module (s) of the system is (are) composed of inlet pipe and return under electrolysis pressure and interconnection and return of gases.
  • the connector of the modules ensures the arrival and return of the own signals of the module itself as well as its power supply as shown in Figure 3D.
  • Each module also provides free passage information adjacent modules through an electronic card installed individually in its housing provided for this purpose.
  • the electrolysis chamber is composed of a minimum of two (2) nano-nickel electrodes mounted in "3D (3-dimensional Effect or Triple Nano Effect)", in an electrolyte on a fluidized bed as illustrated in Figure 12D which shows an exponential increase in gas production with the Fluidized Bed Design ("FBD”) technique.
  • This technique consists in adding the nanoparticles in the electrolyte.
  • This third variable (in third dimension Z with respect to the X and Y axes defining the plane of the electrode) makes it possible to increase the surface of the reaction by the fact that the particles in suspension are added to the surface of the electrode in its third dimension.
  • control electronics After starting the system, the control electronics checks the demand at any time and adjusts the flow rate of the hydrogen by the various techniques described in this invention. This production is always based on the gas requirement for the user to whom it add the necessary production for servo functions (buffer stage) that responds to acceleration cases for use in the field of combustion engines for example.
  • this buffer chamber increases its "condensation cycle" (the difference of the hydrogen being produced in the reactor chamber before the gas abatement control is actually performed and stabilized in order to respond to the demand for momentary reduction of the gas) to meet the demand by the internal combustion engine for example and this, before the system returns to its normal cycle.
  • a buffer stage that efficiently responds to requests during calls (tip, jerks or accelerations) in demand and to absorb when refusal (trough, surplus or deceleration) in demand for the hydrogen produced allows simultaneous production needs to.
  • This advantage also makes it possible to compensate for the constant time of the system caused by the inertia of the subsets in the gas production chain by the electrolysis system.
  • the volume of a buffer stage depends directly on the electrolyser time constant.
  • the flow management for each gas allows instantaneous response to peak demands (a function presented in detail in Figure 5).
  • the hydrogen requirement is a function of the instantaneous speed, the engine capacity and the type of the vehicle.
  • the hydrogen flow rate is then set to an initial value during system parameterization. This setting is usually done at the time of installation of the present invention.
  • the hydrogen battery can be replaced by a cooling system.
  • the condensation chamber recovers the water leaving the hydrogen cell or the re-condensation of the excess of the gases.
  • the innovative solution proposed in this invention will describe a SUPER EFFECTIVE electrolyzer which greatly increases the energy efficiency of the electrolysers. Indeed, among the existing types of electrolysis for the generation of hydrogen (acids and alkalis). Alkaline electrolysis is the most suitable because it eliminates the need for expensive precious metals to serve as a catalyst, and with a large nanoscale particle surface, the catalytic reaction is more efficient. For alkaline electrolysis, nickel is ideal because it is much cheaper than platinum, can easily be produced at the nano scale. Nano scale nickel also increases the area available for the catalytic reaction that generates hydrogen, which increases efficiency and production rates.
  • the electrolysis chamber essentially characterized by its high efficiency (85%) in gas of the order of 1285 l / h, its reduced size which is 5 cm long and 12 cm wide and 19 cm high, its ergonomics, its robustness, its ease of assembly and integration in embedded version, its modularity. It is also simple to consider configurations that will allow surface control of the electrodes exposed to the electrolysis reaction (level control or exposure surface).
  • the module is composed of:
  • the innovative solution used for the basic module allows to produce on average 1285 liters / hour (l / h) with the possibility of controlling the quantity of gas wanted at a moment "t". Indeed, thanks to the technology of fluidized bed electrolysis "FBD" which makes it possible to carry out the reaction 3D, and to the catalyst Ni / Fe (Nickel / Ferrite) of very great specific surface called “nano catalyst”.
  • the fluidized bed makes it possible to increase the surface of the electrode and thus reduce the density of reaction current between the fluidized bed and the other electrode.
  • a yield of 8S% is obtained, ie about 1800 watts.
  • nickel nanopowder mixture of particles of 1 to 10 or 5 to 20 nanometers, coated with nickel oxide with a thickness of 0.5 to 1.5 nm.
  • the nanomaterials needed to increase the catalyst surface on the electrodes (about 1000 times) directly produce hydrogen from water and electricity with better efficiency and higher production of hydrogen gas and oxygen.
  • this highly efficient system is mounted in a compact module and is easily mounted on the embedded matrix in the case of assistance on demand.
  • a mesopore formed on the periphery of the porous filamentous carbon nanore is a tunnel-type pore which is formed in the direction of arranging a hexagonal carbon plane from the periphery to a fiber axis.
  • the porous filamentous carbon nanon is produced by selective removal of the hexagonal carbon plane constituting the filamentous carbon nanoregeneration via gasification using a catalyst, after high dispersion of Fe, Ni, Co, Pt, etc. whose size is between 2 and 30 nm, on the surface of the nano filamentous carbon.
  • the tunnel-type mesopore is formed radially by means of a Nano drilling process.
  • the size of the porous filamentous carbon nanon can be regulated depending on the size of the nano-drilling catalyst and the nano-drilling conditions. According to the methodologies explained in this application, we find that some materials produce a large metal surface.
  • the reference electrodes are Zinc or Nickel queues and the chemical solution is Eutectic KOH (33% aqueous). These new generations of electrodes produce 75% more efficiency at low electrical currents while remaining reasonably efficient at higher surface current.
  • the table below shows the efficiency of nano metals according to a type of electrolysis.
  • the perfect Nano conductors have a high impedance:
  • this resistance is measured in a two-dimensional gas of electrons.
  • a grid is placed on the surface of the semiconductor at about 100 nm of the electron gas. A voltage applied to these grids makes it possible to constrain the gas, and creates an obstacle (by the presence of an electrostatic potential). The measurement shows trays, related to the appearance of a new mode of propagation in the medium.
  • this technique allows the realization of electrodes using nanoscale materials. It is a nanoscale element based on carbon materials or compounds or nano-scale tubes, where, said materials comprising nano metals of 1 to 50 nm or carbon nanotubes, generally called nano elements. . On the surface of each is deposited a substantially continuous film of nanoscale silicon particles (in the case of nanotubes, this film has a thickness ranging from 1 to 50 nm). The nano elements are arranged substantially parallel to each other and are fixed by one of their ends to a substrate and are arranged substantially perpendicularly (of course, a substrate which is electrically conductive). A method of preparing a material comprising nano elements, on the surface of each of which is deposited a substantially continuous film of nanoscale silicon particles, comprising a nano-element growth step.
  • the present invention also discusses an innovation in the field of electrodes used in the electrolysis chamber. Indeed, the use of new materials in the electrolysis technique to carbon compounds and compounds of nanotubes have particular advantages related to their electrical conductivity properties and their surface increase.
  • pentagons introduce a curvature of 112 ° in the film and the Euler's mamer ⁇ ati ⁇ Tffsr show that it takes a minimum of 12 pentagons to close the sheet (ie 6 pentagons at each end of the tube).
  • the C60 molecule contains exactly twelve (12) pentagons and twenty (20) hexagons: This is therefore the smallest possible fullerene.
  • a regular theoretical distribution of these pentagons gives a hemispherical shape, one often observes a tip of conical shape.
  • Nanotubes can have an extremely large length in front of their diameter (aspect ratio> 1000). Subject to an electric field, they will therefore have a very strong effect of peak (see principle of the lightning rod). With relatively low voltages, colossal electric fields can be generated at their ends, capable of pulling the electrons out of the material and emitting them outwards. This is the field emission. This emission is extremely localized (at the end of the tube) and can therefore be used to send electrons to a specific place. The understanding of this part is simplified by the explanation of the manufacture of an electrode based on pellets (cylindrical rods of compacted materials), themselves based on nickel powder (micro nickel) of tiny size (1 to 4 microns) mixed with 10% nano nickel (1 to 10 nm).
  • the electrode is connected to the cathode uses a platinum-based screen as a support for the electrode and a diaphragm between hydrogen and oxygen based on "Cellophane (a thin and transparent film consisting of cellulose hydrate)." ions are at an angle of 90 ° to the surface of the pellets and the gases are coming out of the same surface, so a constantly rotating electrolyte liquid is required to remove the gases produced in order to leave the electrodes free (walled up with water) .
  • FIG. 12B shows a clear increase in the result by a factor of 2000.
  • FIGS. 12B and 12C also show that 85% energy efficiency can easily be achieved with currents in the range of 3 to 300 mA / cm 2 .
  • the conversion of the gge / hr / m 2 used is equivalent to 125,000 BTU of H2 (ie approximately 1kG of H2). Note that this technique produces a volume of hydrogen 100 times greater than the graphite.
  • a major advantage of the present invention is its on-demand hydrogen demand control and flow control system.
  • An example of the use of this benefit is for a production of hydrogen assisting an engine during the variation of speed or the ratio of the torque defined in horse power Steam.
  • the limits of variation of hydrogen production are generally defined by its electrolysis capacity. In the case of our invention we will consider a production capacity of 240 liters per hour. This flow rate can therefore vary from zero (0) to 250 l / h.
  • the elements controlling this flow are:
  • a flow control means is the current control applied to the telescopes.
  • the current replacement (DC) by short pulse current has therefore been considered.
  • the current pulse control is carried out according to several methods:
  • a pulsed system was developed by NAOHIRO SHIMIZU, with a variation of the voltages pitch between 7.9 to 140 V having a duration of 300 nS and a frequency of 2-25 kHz. It demonstrates that the short pulsed current produces an electric field that aids the production of hydrogen without decreasing electrolytic efficiency because electrolysis occurs by the technique of limited electron transfer rate while in direct current ( DC) it occurs according to the technique of limited diffusion.
  • Electrical voltage pulse control system produced by high voltage direct current pulses (20 to 40 KV) at the frequency of 10-15 kHz (other Internet sources give 50 Mhz and less than ImA) . Inductance, in series with the ability to initiate resonances inside the molecule.
  • the present invention provides a solution in that the controller is able to make a flow decision based on the following points: 1- Verification (measurement) of the current level of output flow of the module (its flow meter)
  • a decision on increasing or decreasing the amount of hydrogen is then made by the control unit of the module that controls and regulates hydrogen production
  • This setting includes entering the type of engine (petrol or diesel) and cylinder of the vehicle.
  • the flow control for assistance of electricity using Hydrogen is done in an automated way and is managed by the control electronics. It is important to note that a configuration of this invention can in combination with an internal combustion engine serve as an autonomous generator. Fuel cell technology and their management have made great strides recently on core cell aspects. The first demonstrations in the field of transport essentially must see the light of day in the next five years. But many locks had to be lifted for commercialization, especially on a large scale.
  • Stack core components require the synthesis of new polymer membranes, catalysts no longer using platinum, membrane - electrode assemblies allowing guaranteed reproducibility. Finally, the management of fluids, temperature and electronics needs to be really optimized. Knowing that the direct combustion of hydrogen is a channel to be promoted initially to increase the combustion efficiency of current fuels, with their defects however production of CO2 (CNRS white paper). Nano metals provide an answer to these expectations. As described in our invention when explaining the case of electrolysis, the increase in electrolysis area allows a greater ion exchange capacity. Indeed, the dihydrogen comes into contact with the pellet nano metals of the electrode. This dihydrogen oxidizes to form H + ions and releases electrons. The membrane passes only H + ions. The electrons leave the battery and go into the electrical circuit.
  • the H + ions associate with the electrons that have passed through the circuit to react with the O 2 O 2 and thus form water. It is an advantage of the present invention to use the gases produced for the hydrogen cells directly at the outlet of the buffer stage and to:
  • Some options of this application can store the gases produced in the hydrides.
  • Reduced storage in the form of hydrogenated hydride particle (for example, aluminum) makes it possible to release the gases rapidly which can be used as batteries in electrical equipment or portable devices.
  • the importance of energy consumption in housing being the order of the day, the resulting CO2 emissions lead to favoring research and therefore to mobilizing a growing number of researchers on the ways of development and development.
  • the reduction of transient and stationary models at various scales, on the understanding of the near-human interaction involving different scenarios of comfort finally, the integration of new ideas, especially for the management and optimization of housing with renewable energies and geothermal energy.
  • Residential and tertiary housing is the largest consumer of energy in France (46.6% of national consumption in 2002, while transport accounts for 24.9%).
  • the power developed is 80% of the input power 1800 watts / h recovered at the output of the electrolyser and converted into electricity we get about 1500 w / h of useful power.
  • the output can be equipped with a voltage stabilizer that avoids unstable voltages generated by the connection of devices (an electrical capacity control can be used to balance the current call caused by frequent steps / stops of the devices).
  • the main tank contains distilled water to which an ionic concentrate is added automatically.
  • the structure of the tank responds to the stress of the corrosion itself.
  • One or more system cooling solutions can be integrated into the assembly.
  • the Control Electronics indicates the change of the filter (every 750 hours for example) and the emptying of the solution and its maintenance after a certain time of operation (3,000 hours for example).
  • the ion concentration control of the system is performed at regular intervals. At each specified period (for example, 100 h of cumulative operation) the ion concentration control system is triggered (for example, 33% ionic concentration for KOH).
  • a sensor placed in the tank measures the concentration and signals the processor the measurement.
  • the processor then controls an electropump connected to a tank of highly concentrated ionic solution to pour the ionic concentrate into the main reservoir of the matrix.
  • a second auxiliary measure is triggered after a complete cycle of electrolyte rotation in the electrolysis modules for any possible additions of the ionic concentrate.
  • the electronic control card having only conventional functions, well known, will be presented only by its block diagram because of the obviousness of its tasks.
  • control cycle of the ionic concentration is also triggered: - at each emptying of the buffer stage by predetermined stage (50 ml for example), - at each addition of water in the main tank.
  • nano-structured materials in the production of electrode pellets is not constrained at the crystallographic level, a property which avoids degradation of the electrode.
  • the example is taken for an area of one square meter and as indicated a joint use of the electrodes normal to nano electrodes having physical capabilities produces a high efficiency at high electrical amplitudes. This is the phenomenon Triple Nano Effect (nano 3D or Nano Effect in 3 Dimensions).
  • the results illustrated in the present invention allow a hydrogen production efficiency multiplied by seven (7) and an efficiency maintained at around 85%. Such results would make it possible to envisage mass production for the fuel required for any application using hydrogen.
  • nanomaterials composed of nickel and cobalt may partially or completely replace platinum catalysts in a variety of battery and fuel cell applications (for example, replacing all the platinum on the cathode (7.7 micrograms [ ⁇ g] per square centimeter [cm 2 ]) cobalt nickel, one could reduce costs by 90%, compared to pure platinum, but the yield would decrease by 27%. On the other hand, if we replace half of the platinum, the costs still fall by 43% and we lose only 10% in terms of performance.
  • Figure 1 shows the assembly of the Matrix and its Electrolysis Modules with their interconnections for on-demand generation of hydrogen assist in the present invention.
  • Figures 2A and 2B show respectively the single assembled matrix without its electrolysis module ⁇ 2A) and the details of the buffer stage and the return compartment (2B).
  • FIGS. 3A and 3B respectively represent the "electrolyser” module with its input and output connections (3A) and the detail of the electrodes with nano-metal pellets mounted in the electrolysis chamber (3B) as presented in the present invention. .
  • Figures 3C and 3D respectively represent the principle of walled water (3C) and the Electronics of individual control and interconnection of each module (3D).
  • FIGS. 4A and 4B respectively represent the assembly and installation of the system in a vehicle (4A) and the position of the mo ⁇ itoring display (4B),
  • Figures 5 represents the principle of home power generation assistance with the use of a hydrogen generator and a variant of the same principle, generating the HHO mixture of the present invention.
  • FIGS 6A and 6B respectively show the basic principle of the Hydrogen Assist Electrolyser (6A) and an alternative for producing the HHO mixture (6B) of the present invention.
  • Figure 7 shows the control block diagram of the system of the present invention.
  • Figure 8 shows the block diagram of the control electronics of the present invention.
  • Figures 9A, 9B and 9C respectively show the flowchart for processing data in normal cycle (9A), in cold start cycle (9B) and in acceleration and deceleration cycle (9C) for use in the sector of transport of the present invention.
  • Figures 10 shows the Water Gas Water transformation cycle used in the principle of this invention.
  • FIGS. 12A and 12B show respectively the efficiency ratio of the various metals constituting the electrolyser electrodes (12A), the hydrogen production rate of the electrodes, manufactured with nano-metal pellets 3D, mounted on a platinum bar (12B). ), in connection with the present invention.
  • Figures 12C and 12D respectively show the voltammer curves of the electrodes with their efficiency of a super efficient electrolyser using an electrolysis reaction for the production of hydrogen on a fluidized bed (12C) and the voltammetric curves of the cathode of a Catalyst based on the (nano) nMnOx powder compared to nano cobalt (nCo) (12D) in connection with the present invention.
  • the modularity of the assembly is ensured by the ability of the invention to produce a variable quantity of energy or hydrogen (for example, which varies from 00 ml / s to 350 ml / s for hydrogen).
  • a variable quantity of energy or hydrogen for example, which varies from 00 ml / s to 350 ml / s for hydrogen.
  • the matrix 1-1 (Fig.l) also contains the stage containing the hydrogen cell which ensures the production of electricity.
  • the matrix 1-1 (FIG. 1) is composed of its control electronics board 2B-1 (FIG. 2B) of the inter-module connection indicators 2A-9 (FIG. 2A), of the main tank 2A-10 (FIG. FIG. 2A), which is connected to a variable flow pump 2A-14 (FIG.
  • FIG. 2A supplying the electrolyte modules, itself controlled by the variable rate control card 5-12 (FIG. 5), topped a 5-2 controller series; 5-3; 5-4; 5-5 (Fig.5) which respectively manage the level of the electrolyte, the ionic concentration, the temperature and pressure.
  • This matrix is provided with a secondary tank 2A-8 (Fig.2A) which is housed the cartridge 2A-7 (Fig.2A) of the ionic concentrate of the electrolyte for the entire system.
  • the cartridge 2A-7 (FIG. 2A) is connected to a small pump 2B-10 (FIG. 2B), discharging the ionic concentrate through the channel 2B-2 (FIG. 2B) into the main reservoir 2A-10 (FIG. 2A).
  • the electrolysis modules 1-2 (Fig.l) are assembled as follows: The first module is fixed in the housing 2A-16 (Fig.2A) of the matrix 1-1 (FIG.1). Then, depending on the desired flow rate, other additional modules 1-2 (FIG. 1) can interlock by adding. The assembly ends with an end cap of module 1-3 (Fig.l) using the fixing points 3A-5 (Fig.l). The indicators 2A-9 (FIG. 2A) under translucent cover 1-4 (FIG. 1) inform the good communication of the assembly thus assembled.
  • Each electrolysis module 1-2 (FIG. 1) is composed of 3 distinct compartments:
  • the arrival compartment 3A-3 (Fig.3A) comprising the connector block 3A-9 (Fig.3A) through which the supply of the modules 1-2 (Fig.l) through the connectors 3D-4
  • FIG.3D the data 3D-3 (Fig.3D) and the controls 3D-2 (Fig.3D), the inlet pipe of the electrolyte 3A-4 (Fig.3A) equipped with a valve blocking / connection 3B-3 (Fig.3B) and a contactor connection 3D-5 (Fig.3D) which sends a signal to the indicators 2A-9 (Fig.2A).
  • the 3D-1 module control board Fig.3D.
  • the electrolysis chamber 3A-2 (FIG. 3A) comprises the nano-metal electrodes composed of the anode 3B-5 (FIG. 3B), the cathode 3B-2 (FIG. 3B), a diaphragm (optionally mounted according to the type of gas required) 3B-4 (Fig.3B) and electrolytic membrane 3B-1 (Fig.3B) (blocking liquids and passing gases) and inlet ports of the electrolyte under pressure 3C-2 (FIG. 3C) which generate the "wall of water" 3C-1
  • Fig.3c These orifices are arranged on either side of a "V" shaped frame 3C-3 (FIG. 3C) in which the electrode concerned is housed.
  • the outlet compartment 3A-1 (FIG. 3A) comprises the pipe 3A-7 (FIG. 3A), returning the electrolyte to the main tank 2A-10 (FIG. 2A), of the matrix 1-1. , the hydrogen gas lines 3A-6 (FIG. 3A) and the oxygen 3A-8 (FIG. 3A) converging towards the receiving compartment 2A-19 (FIG. 2A) and 2A-17 (FIG. matrix 1-1 (FIG. 1), which is none other than the inlet of the bubbler (s) 2B-9 (FIG. 2B) providing the "Filtering / Separation" function known for its purifying effect (or water barrier and filtering during the return of the gases).
  • FIG.2B When filling this tank or under the indication of a level 2B-6 controller (Fig.2B), another small pump 2A-12 (Fig.2A) directs this water to the main tank 2A-10 (Fig. 2A).
  • This advantage allows an electricity production 5-20 (Fig.5) through the output 2B-7 (Fig.2B), sent either to a unit storage 5-18 (Fig.5) any (battery for example) or consumed in its DC form or after a transformation through a converter DC-AC 5-19 (Fig.5) in the habitat.
  • the current output has a 5-25 controller (Fig.5).
  • a variant of this invention makes it possible to obtain a mixture of the hydrogen and oxygen gases by the suppression of the diaphragm 3B-4 (FIG. 3B), in stoichiometric form (known under the name HHO or Brown Gas in the name of its inventor according to the patent No. 4,081,656, US 4,014,777).
  • This form of highly energetic gas is produced for the purpose of the enrichment of internal combustion engines (GEH) or for uses in the field of industry (cutting, welding or incineration system for example). It suffices to remove the diaphragm 3B-4 (Fig.3B) and replace the stage comprising the hydrogen cell by a simple conduit switch to existing pipes.
  • the production can be controlled for an excess compensating the acceleration and deceleration functions possible for an application in the field of transport (automobile for example).
  • the return of the electrolyte of the modules 1-2 (Fig.l) is carried out by the pipe 2A-18 (Fig.2A) before passing into a filter compartment 2A-3 (Fig.2A) where a filter 2B -8 (Fig.2B) is installed, to be re-injected into the main tank 2A-10 (Fig.2A) through line 2B-3 (Fig.2B).
  • a particular configuration related to the constraints of the temperature parameters with a view to obtaining a better efficiency would consist in the integration of a cooling system 5-21 (FIG. 5) mounted in the matrix (case of replacement of battery to hydrogen 2A-13 (Fig.2A) by a cooling system for example).
  • the matrix 1-1 is composed of a main electronic card 2B-1 (FIG. 2B), under cover 2A-5 (FIG. 2A) and connected to an electrical source 5-1 (FIG. 5) and communicating with the monitor 5-6 (Fig.5) through the port 2A-4, a secondary electronic card 2B-4 (Fig.2B) responsible for the interconnection of commands between the modules 1-2 (Fig.l) and the control electronics of the matrix 2B-1 (Fig.2B).
  • the power supply of the electrolyser 5-1 can be provided by one or more energy sources 5-11 (Fig.5).
  • This power supply is partly a recovery of available energies, dependent on the environment and the field of use (thermoelectric example in the case of thermal engines, battery to hydrogen 2A-13 (Fig.2A) in the matrix, renewable energies like wind, solar, photovoltaic 5-11 (Fig.5).
  • the flow rate of the current is controlled by the card 2B-1 (Fig.2B).
  • Control, Command of the system consists of: "Control, Automatic or mechanical control without intervention of the control electronics:
  • Tank pressure and valve control 2A-6 (Fig.2A), "Oil pressure check (Fig.9A),
  • Level control 5-10 (Fig.5) and Display command if low level and system stop command if critical value or zero
  • Servo acceleration case (Fig.9C): It is an increase in gas flow rate with a permanent control of the flow in view of its stabilization.
  • Slow deceleration case control (Fig.9C): II s' acts of a reduction of flow of the gases with a permanent control of the flow in view of its stabilization.
  • Cold start case servo (Fig.9B): This is an increase conditioned by a temperature and clock take and control to adjust the gas flow with a permanent control of the temperature in view of flow optimization.
  • Control control on tank 2B-5 (Fig.2B) of the buffer stage: "Control level 5-14 (Fig.5) and Control 5-17 (Fig.5) pump 2A-12 (Fig.2A ) and command launch of a control of the ion concentration cycle 5-3 (Fig.5)
  • Control control on the tank of the ionic concentration cartridge 2A-7 (Fig.2A):
  • Control level 5-15 (Fig.5) and Control 5-16 (Fig.5) pump 2B-10 (Fig.2B).
  • Control control on the cooling system 5-21 (Fig.5).
  • FIG.5 A variant of the present invention thus described mounts in the transport application in a very simple manner to provide hydrogen assistance and on demand. to the thermal engines, as described in (Fig.4A) and (Fig.4B) .
  • the system 4A-3 (Fig.4A) pre-configured for a flow adapted to the needs of the application is preferably mounts to the radiator front 4A-2 (Fig.4A) or in a ventilated location Due to its small size, the system can be installed even in small vehicles (small European cylinders).
  • 4A-4 (Fig.4A) to the air filter 4A-1 (Fig.4A)
  • the display monitor 4B-1 (Fig.4B) provides the user interface or installer interface of the system.
  • a variant of this invention can connect to a connector provided by car manufacturers in a standard way today: OBD (On Board Diagnostics Embedded diagnostic) 4B-2 (Fig.4B), allowing it a direct collection of information (torque, power, real-time consumption, oxygen rate, etc. for example) to the system that is the subject of the present invention, allowing it a better optimization of its functionalities.
  • OBD On Board Diagnostics Embedded diagnostic
  • Fig.4B On Board Diagnostics Embedded diagnostic
  • the electronic controls of the system (Fig.7) are designed to integrate the different aspects and different man-machine interfaces of this invention making it very simple and user-friendly in use.
  • FIG. 8 The block diagram of the main components of the system's control electronics (Fig.8) highlights its flexibility in adding additional functions and ensures its evolution with remarkable adaptability as it enters the market.
  • the processor commands are executed by the system structure, which acknowledges the return of the reception of good execution, while ensuring its peripherals through sensors.
  • Electronic cards and interconnections conveying vital information are protected by an envelope (shielding) against electric and electromagnetic fields.
  • the water transformation cycle shown in Figure 10 illustrates by a closed loop the principle of obtaining energy by supplying the system with sources producing renewable energies.
  • Fig. 11 illustrates the principle of a high efficiency hydrogen cell based on the use of nano elements in the context of this invention.
  • Figure 12A illustrates the efficiency ratio of the different metals to produce the equivalent of 4 liters of gas with a surface area of one square meter (Im 2 ). For example, it takes 34 days for graphite electrodes while this time is respectively 15 days for micro nickel electrodes, 3 days for nano nickel, ⁇ hours for nano nickel 3D and 25 minutes for nano nickel in a fluidized bed electrolysis reactor (FBD) with 85% efficiency in connection with the present invention.
  • FBD fluidized bed electrolysis reactor
  • Figure 12B compares the performance of nano-nickel based electrodes with the triple effect of nano-catalyzed (3D or 3-dimensional Nano Effect) on normal electrodes used in conjunction with nano electrodes producing high levels of hydrogen.
  • Figure 12C compares the voltammer curves (using a voltammogram) of the anode (oxygen generator) and the cathode (hydrogen generator). The difference between the lines defined the voltage of the cell indicated by a double-headed arrow that shows 85% efficiency (potential 1,743V) which is the efficiency of the super efficient electrolyser. This result corresponds to approximately 42 kWh / kg of energy production.
  • Figure 8 illustrates the control electronic block diagram and the main components of the assembly. This microprocessor-based intelligent control board, memory and peripherals input outputs and control / commands allow it to provide the various functions described in this invention. For obvious and simple reasons we will not develop the wiring and inter link details of this illustration.
  • Figure 12D illustrates a tracer voltammer (using a voltammogram) of the cathode made in a catalyst with the powder (nano) nMnOx compared to nano cobalt (nCo).
  • the nCo cathode exhibits a larger exchange current (lo), and consequently a larger CCV Tafel value (Closed Circuit Voltage or still Closed Circuit Voltage Discharge).
  • the nMnOx cathode shows a remarkable flat slope (greater catalysis) and higher current density which makes it a more powerful electrode.

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Abstract

Le système est un moyen très efficace de production d'Hydrogène d'Assistance, de Puissance et d'électricité à la demande, contrôlée par un système d'asservissement (Fig.5) avec une disposition modulable (Fig.1), intelligent (Fig.8), à haut rendement énergétique (Fig.12) et utilisant les nano technologie (Fig.3). Multitudes de choix sont proposées à l'utilisateur pour obtenir une production simultanée aux besoins ou encore à débit variable de l'énergie (Fig.9). Respectant les contraintes de propreté, de l'environnement et la diminution de la pollution de l'air, II est conçu pour une utilisation dans les secteurs Habitat, Transport ou plus généralement toute Industrie produisant de l'électricité ou de chaleur par moyens à base notamment d'hydrocarbure ou encore tout milieu nécessitant de l'énergie pour fonctionner de façon stationnaire ou nomade. Cette application est une demande de brevet sous la priorité interne avec revendication de la priorité interne d'une première demande de brevet d'invention numéro O 8 03019, déposé le 2 Juin 2008. La totalité de l'application 08 03019 est restructurée et incorporé dans cette nouvelle demande de brevet d'invention par référencement.

Description

SYSTEMES POUR LA PRODUCTION DE L'ENERGIE A LA DEMANDE COMME UNE SOURCE SEULE OU EN ASSISTANCE AVEC AUTRES SOURCES D'ENERGIE DANS LE DOMAINE DU TRANSPORT OU DE L'HABITAT.
Cette application est une demande de brevet sous la priorité interne avec revendication de la priorité interne d'une première demande de brevet d'invention numéro 0803019, déposé le 2 Juin 2008. La totalité de l'application 0803019 est restructurée et incorporée dans cette nouvelle demande de brevet d'invention par référencement.
INTRODUCTION
Historiquement, l'hydrogène a été indispensable pour la production industrielle des matières plastiques, polymères, produits chimiques, pharmaceutiques et de matières premières. L'hydrogène est également nécessaire comme apport dans les engrais à des fins agricoles, ainsi que d'autres applications industrielles. Actuellement les R & D en cours visent particulièrement une production d'hydrogène avec des faibles coûts par électrolyse et ceci dans le but d'une solution hybride (électrique / carburant, les piles à combustible) et d'une réduction sur les émissions de NOx dans les moteurs à combustion standard.
Parallèlement, une prise de conscience de la pollution induite par les transports conduit à un durcissement progressif d'une part de la réglementation sur les émissions et d'autre part de la qualité des carburants.
Devant l'urgence de la situation, pour remplacer le pétrole à moyen terme, il faut partir des solutions déjà validées pour la production de l'hydrogène et avoir des vecteurs compatibles avec les sources disponibles à moyen et à court terme. Tout d'abord, l'hydrogène n'existe qu'en très faible quantité sur Terre. Pour cette raison, il est nécessaire de le produire, à partir, par exemple de l'eau (Électrolyse) ou de chaînes hydrogénées telles que les alcools, le gaz naturel ou les carburants commerciaux (c'est la réaction de reformage). Notre recherche pour trouver de l'énergie propre, efficace et à faible coût, nous a amenée à chercher un moyen de conversion de l'eau en énergie avec ZERO émission des gaz nocifs. Sachant que l'Hydrogène change la dynamique de combustion du carburant en augmentant l'efficacité adiabatique du cycle de combustion du moteur, l'on peut introduire de l'Hydrogène dans un moteur qui utilise un hydrocarbure. Cette autre solution brûle plus rapidement, brûle plus propre et nécessite moins de carburants pour exécuter le même travail.
Par ailleurs, l'Hydrogène peut remplacer le pétrole comme vecteur d'énergie pour le transport. La technologie est déjà à l'état de démonstration pour le transport routier. Apporter une solution appropriée aux défis liés aux changements climatiques et l'épuisement des réserves d'énergies fossiles se traduit par l'utilisation d'une source d'énergie plus propre et moins polluante dans de meilleurs conditions, avec les options qui conviennent au mieux pour équiper nos moyens de transport ainsi que nos moyens de production d'électricité et de la chaleur dans les habitats en respectant les contraintes liées au respect de l'environnement.
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention propose une solution efficace et innovante pour la production de l'énergie et de l'hydrogène d'assistance à partir des ressources naturelles et abondantes à la disposition de l'homme. Il s'agit d'une technique de production de l'hydrogène par un système d'électrolyse super efficace qui apporte une solution aux problèmes associés à la technique d'électrolyse qui sont ; la chaleur, la consommation, le rendement énergétique et l'entretien lié au dépôt permanent dans la cuve d'électrolyse avec une technique de production d'hydrogène (H2) et d'oxygène (1/2 02) à des taux qui permettent de réutiliser les gaz produits pour entretenir le cycle de l'électrolyse et au-delà pour un travail supplémentaire qui consiste à la production de l'électricité.
Uh des prochains objectifs de production d'énergie de la part des pays industrialisés est son obtention par l'utilisation de ressources propres et renouvelables de la planète. À cet effet, plusieurs techniques ont été proposées et tentées à ce jour. Parmi celles-ci, il a été envisagé de réaliser des systèmes de production de l'hydrogène par des systèmes d'électrolyse de l'eau et de produire de l'électricité à partir des piles à combustibles. En effet, ses solutions permettent à la fois d'utiliser les ressources propres et de réduire la pollution. Un tel objectif ne peut être atteint en s'inspirant des techniques utilisées jusqu'à ce jour pour la production de l'hydrogène par électrolyse tel que décrit notamment dans les brevets WO/2005/047568 ; WO/1998/055745 ; WO/2000/023638 ; 4,421,474 U S ; 4,081,€56 US ; 4,613,304 US ; 4,081,656 US ; 4,014,777 US ; 4,081,656 US.
En effet, aucune de ses inventions ne permet une production à la demande de l'hydrogène ou 'de l'électricité avec un rendement énergétique atteignant 50 % ou plus. De ce fait, les réalisations effectuées se sont limitées à des applications expérimentales ou spécifiques. Dans ce sens, une première application a consisté à utiliser des électrolyseurs de production d'hydrogène d'assistance pour les camions, leurs permettant d'économiser 10 à 15 % de carburant. Cependant, la production de l'hydrogène est statique et ne possède aucun asservissement, la rendant apte à une production à la demande satisfaisant à tous les régimes du moteur. Parallèlement, les piles à combustibles ou piles à hydrogène ont été limitées dans leur utilisation car elles nécessitent l'utilisation des capsules dans lesquelles une quantité limitée d'hydrogène était stockée. Cette dernière limite les champs d'action des piles à hydrogène pour des raisons évidentes d'autonomie et de disponibilité d'hydrogène à la demande et à la volée (par exemple lors des appels en courant).
Encore une fois, la solution satisfaisant à cette demande ne peut être atteinte en s'inspirant des techniques utilisées jusqu'à ce jour pour la production de l'électricité par procédés tel que décrit notamment dans les brevets WO/2008/097798 ; WO/2008/097797 ; WO/2007/133794 ; WO/2007/117229 ; WO/2007/060369 ; WO/2008/105793 ; WO/1996/020782 ; WO/1997/024463.
En effet, aucune de ses inventions ne permet une production à la demande et du recyclage de l'Hydrogène et de l'Oxygène non consommés par leur réintroduction dans la chaîne d'Eau-Gaz- Eau est un autre élément totalement novateur dans cette application.
ETATANTERIEUR DE LATECHNIQUE ET DE L'ART
Le développement de l'hydrogène en tant qu'énergie du futur nécessitera une forte évolution vers des modes de production durables et une augmentation considérable du volume de cette production. Les principaux modes de production actuels de l'hydrogène sont basés sur le reformage catalytique d'hydrocarbures d'origine fossile comme le gaz naturel (méthane et alcanes légers) et les gaz issus du pétrole (GPL) ou du charbon. Ces technologies éprouvées pour des applications stationnaires à large échelle requièrent aujourd'hui un nouvel effort de recherche lié à l'émergence de nouvelles applications et/ou contraintes. Ce qui est le cas de la conversion du gaz naturel en gaz de synthèse (CO et H2) sur les sites d'extraction ou la génération d'hydrogène comme carburant de pile à combustible pour des applications embarquées (ex : véhicules électriques, alimentation d'ordinateurs portables) ou domestiques (ex : groupes électrogènes). Ces applications envisageables sur le court et moyen terme ont introduit des axes de recherche novateurs et des ruptures technologiques comme la miniaturisation des procédés (nouvelle technologie des minisj et microréacteurs/échangeurs, co-générateurs de chaleur et d'énergie électrique) ou l'ultra purification de l'hydrogène avant admission dans la pile à combustible ou encore des réacteurs de stockage.
La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, très marginale au plan mondial, apparaît en premier abord comme un procédé non polluant mais en fait pose le problème de l'origine de l'électricité requise. D'autres voies alternatives font également l'objet de recherches actives comme l'utilisation de l'énergie solaire concentrée comme source de chaleur à haute température et la bio décomposition de l'eau par des algues et bactéries. Les aimantes technologiques (énergie solaire) où des rendements extrêmement faibles (procédés biologiques) confinent cependant ces nouvelles voies de synthèse à des perspectives d'applications marginales et à long terme. L'utilisation de l'hydrogène en tant que carburant additionnel est une méthode attractive pour améliorer les performances du moteur d'automobile et réduire ses émissions. Un mélange d'hydrogène et d'oxygène GEH (Gaz Enrichi en Hydrogène = H2 + 02 + Vapeur Carburant) produit par un nouveau type d'électrolyseur a été récemment présenté. On parle souvent de l'électrolyse liée à l'utilisation des énergies renouvelables. Cela serait intéressant dans la mesure où la production d'électricité par ce moyen n'est pas vraiment simultanée aux besoins. L'autre possibilité est d'utiliser l'électricité produite par des centrales nucléaires (notamment pendant les heures creuses). L'hydrogène permettrait de stocker l'électricité sous forme chimique et de réutiliser plus tard l'hydrogène comme source énergétique. Comme déjà mentionnée, l'efficacité de l'électrolyse ne peut dépasser 50%, quoi qu'en théorie on puisse l'approcher. Mais son coût est bien supérieur à celui du reformage en raison du coût de l'électricité. Pour que le procédé soit rentable, il faut une électricité à faible coût. Mais l'intérêt est la production sur place ou en assistance.
Typiquement, la cellule d'électrolyse est constituée de deux électrodes (cathode et anode), d'un électrolyte et un générateur de courant. On a les réactions suivantes : - À l'anode, l'eau se dissocie en oxygène et en protons. Les électrons partent dans le circuit.
- À la cathode, les protons se recombinent avec les électrons pour donner l'hydrogène. Sous apport du courant, l'eau est dissociée en hydrogène et oxygène. Il est nécessaire d'apporter de l'énergie électrique puisque l'enthalpie de dissociation de l'eau est de 285kJ/mole. Cela correspond à un potentiel théorique de 1.481 V à 25°C, mais en pratique on a plutôt des potentiels entre 1.7 à 2.3 V.
La dissociation des molécules d'eau en dihydrogène et dioxygène donne : H2O -> H2 + 1402 Eo = 1.229 V. Globalement, -nous avons 2H2O(I) -> 2H2(g) + O2(g)
Des données concernant des électrolyseurs industriels donnent les indications suivantes : - Pour une température de 800C et une pression de 15 bars, on a besoin d'environ 4,5 kW pour produire lNm3 d'hydrogène (Actuellement, des électrolyseurs d'une puissance de 1 à 100 kW sont développés).
- Pour que cette technologie soit valable, il sera nécessaire de faire une analyse à la fois économique mais aussi énergétique et environnementale portante sur tout le cycle de vie, et ce pour évaluer les coûts de production de l'hydrogène et l'impact sur l'environnement. Ces résultats dépendront largement du type d'électricité utilisée et de son coût.
Les issues de la R&D sont assez bien identifiées. Elles font appel à : - Des matériaux nouveaux : les électrodes et des catalyseurs en matériaux moins chers ; - Des électrolytes à température plus élevée (Solid Oxyde Fuel CeII-SOFC, ou Pile à Combustible à Oxyde Solide) ou moins élevée (Proton Exchange Membrane Fuel CeII- PEMFC ou Pile à Combustible à membrane d'échange de Protons); Une utilisation directe du méthane comme combustible qui reste une voie à explorer ; - La gestion thermique et dynamique du dispositif et son comportement en situation réelle. Un des objectifs majeurs est l'abaissement du coût du kW (de 20 k€ environ aujourd'hui à 0,5 ou lk€/h).
Actuellement, l'électrolyse nécessite de grandes quantités d'électricité. Elle est aussi aujourd'hui moins efficace d'un point de vue énergétique : l'énergie potentielle du dihγdrogène produit ne correspond qu'à environ 20% de l'énergie électrique consommée. Elle est donc relativement peu utilisée.
En faite, les chercheurs ont diminué leur attention et études sur ces techniques d'électrolyse à cause des problèmes le plus souvent associés à cette solution qui sont la chaleur et l'entretien lié au dépôt dans la cuve d'électrolyse. L'utilisation des différents matériaux avec un pourcentage plus important de nickel dans la réalisation des électrodes n'a guère augmenté le bilan énergétique de la technologie électrolyse.
La technologie INVERSE de l'Électrolyse de l'eau (pile à Hydrogène) consistant à faire passer de l'hydrogène et de l'oxygène dans un catalyseur pour produire à la fois eau, chaleur et un courant électrique. Actuellement, les coûts restent élevés du fait de l'utilisation de matériau noble (platine) dans la réalisation des électrodes.
AVANTAGES DE L'INVENTION
La présente invention vise à pallier les inconvénients des électrolyseurs et les piles à hydrogène existants et a pour objectif de fournir une source d'énergie propre, apte à fournir de l'électricité ou de l'hydrogène pour les secteurs de l'habitat, transport ou l'industrie.
Selon la présente invention, ce générateur d'énergie se caractérise par les avantages suivants :
- Utilisation des gaz Hydrogène oxygène pour une production de l'énergie en poste fixe et/ou embarqué et/ou nomade.
- Une assistance à la demande pour la production des gaz Hydrogène et Oxygène. - Un système de production d'Hydrogène et d'Oxygène à débit variable qui à la volée, sans stockage et sans CO2 émit, répond à un besoin simultané en énergie.
- Une production de l'hydrogène pour production de la chaleur à domicile après conversion.
- Une production de l'électricité d'assistance avec un haut rendement énergétique. - Une production ou assistance à la production d'électricité avec Zéro pollution.
- Une diminution du coût de fonctionnement et d'entretien avec une plus grande efficacité. Quand il est utilisé en hydrogène d'assistance dans un véhicule, il permet :
- Une diminution des émissions du gaz à effet de serre tout en améliorant le rendement du moteur à combustion interne. - Une augmentation de puissance et de durée de vie des moteurs à combustion internes.
- Un système innovateur de contrôle d'asservissement de débit d'hydrogène et d'oxygène.
- Un système novateur d'électrolyse configurable pour une production des gaz Hydrogène et oxygène séparés ou en mélange stcechiométrique.
Un système modulable dont le débit reste variable et s'adapte aux besoins et à la demande à un instant donné.
Un étage intermédiaire ^tampon) pour compenser l'inertie liée à la constante du temps du système lors de l'accélération et de décélération du moteur. Une variante de cet avantage novateur génère de l'énergie qui peut servir de source de recharge de batterie en cas de décélération. - Ce générateur est aussi un système novateur d'électrolyse dont la production des gaz
Hydrogène et Oxygène est contrôlée par la variation d'intensité du courant (I), de durée de l'impulsion (t), de surfaces exposées des électrodes et du nombre de modules.
- Un contrôleur d'intensité du courant tiré par le système en provenance d'une source d'alimentation extérieure (source électrique conventionnelle ou renouvelable, alternateur, thermo électrique ou batterie).
- Un électrolyseur super efficace muni d'électrodes en nano métaux, d'un système de contrôle et d'asservissement de concentration ionique et de Ia température fonctionnant avec un rendement de 85 %.
- Une technique d'électrolyse de l'eau qui réduit considérablement la maintenance liée au dépôt de résidus des électrodes dans le liquide.
- Une solution novatrice de dégagement des bulles de gaz des parois des électrodes par la mise en place d'une solution dérivée de tourbillon appelée « technique de muré d'eau ». - Une réelle solution pour la réduction des émissions des gaz et particules polluantes liées au fonctionnement des moteurs à combustion interne.
- Un système à faibles coûts qui permet une économie d'énergie et de carburant dans les secteurs de transport et de l'habitat. - Un système conçu avec un encombrement réduit pour faciliter son installation et son intégration dans des environnements multiples.
- Un système novateur qui permet un dialogue et une gestion intelligente de ses sous- ensembles.
- Un système novateur d'assistance d'électricité à l'aide des piles à hydrogène sans émission de CO2 avec une réduction très significative des gaz polluants, c'est-à-dire : CO, CO2, NOx,
SO, etc. Un système innovant de production de gaz avec plusieurs niveaux de sécurité (électrique, électronique, mécaniques et hydrauliques). En conséquence ; on peut résumer les avantages de l'utilisation de la présente invention dans les industries du transport et production d'électricité avec certains secteurs clés comme le Transport avec l'Automobile, Camions, Bateaux, Avions, et l'Habitats avec chauffage et électricité pour maisons individuel, bureaux, locaux industriels, hôtellerie sans oublier le marché des secteurs en équipementier divers pour les industries des Incinérateurs, Chalumeaux, Groupe électrogène, Chantier des bâtiments, Etc. Autre avantage de la présente invention est de faire fonctionner les moteurs à combustion interne en tout hydrogène par un simple système de commutateur entre le mode d'origine et le tout hydrogène. Il suffit pour cela, un simple changement de lubrifiant (utilisation d'un lubrifiant de synthèse par exemple). De même la pile à hydrogène basée sur la même nano technologie, décrite dans la présente invention, permet d'envisager une utilisation de cette invention dans les voitures hybrides ou électrique.
Autre avantage de cette invention est l'utilisation de l'électricité produite par la pile à hydrogène avec une configuration nomade qui lui assure une remarquable portabilité et une flexibilité d'utilisation. Une conséquence évidente de la présente invention est le fait que tant que l'hydrogène ou l'oxygène produits par le super électrolyseur ne sont pas consommés, la perte se limite à la quantité d'hydrogène ou d'oxygène liés essentiellement aux fuites éventuelles et la mécanique de mise en œuvre. Nous pouvons donc récupérer l'eau de départ à la sortie de la pile à hydrogène dans le circuit et de l'aiguiller vers le réservoir principal de départ de l'électrolyse, après avoir récupéré l'énergie sous forme d'électricité À LA DEMANDE. Les gaz H et O restent dans le circuit fermé de la présente invention. Il n'y a qu'un changement d'état à chaque étape.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention concerne un générateur d'énergie en assistance ou seule avec un haut rendement en gaz à la demande et une production simultanée en énergie aux besoins. La compréhension de la pressente invention est simplifiée par sa structure. Il s'agit d'une construction modulaire qui permet de réaliser différents produits en fonction des combinaisons utilisées selon le besoin et le domaine d'application. Nous allons donc présenter les différents aspects de cette invention dans les détails pour chaque élément important de base à savoir :
- MATRICE a. Interconnections et interface avec ses modules b. Électronique de commande et de contrôles c. Interface d'Alimentation des modules d. Interfaces Écran moniteur e. Réservoir et pompe principal f. Réservoir et pompe concentration ionique g. Bulleur (s) h. Système de filtrage et circuits associés i. Étage tampon j. Compartiment Interface
- MODULES k. Interconnexions et interfaces avec la matrice et/ou autres modules. I. Carte Électronique de module, m. Électrodes nano métaux, n. Chambre d'électrolyse.
- MONITORING ET CONTROLE DES COMMANDES SYSTEME o. Affichage message, p. Paramétrage, q. Autotests, r. Interface communication.
- SORTIES UTILISATION s. Gaz en mélange ou séparé t. Courant u. Tension
Le principe simplifié de fonctionnement de production de l'hydrogène à la demande dans cette invention est comme décrit par les figures (FIG.6A) pour les systèmes stationnaires avec une variante pour les systèmes embarquée à bord d'un véhicule par exemple (FIG.6B).
Il s'agit d'un ensemble électrolyseur composé de : Une matrice équipée d'une carte électronique de commande et de contrôle
- Un ou plusieurs modules d'électrolyse
- Une partie convertisseur - Une partie de sortie utilisateur
La matrice d'électrolyseur est composée de plusieurs parties distinctes :
- Réservoir d'électrolyte, de concentration ionique et réservoir tampon
- Électronique de commande et d'interface
- Indicateurs de montage - Systèmes de pompe principale à débit variable, pompe de concentration ionique et pompe de l'étage tampon.
- Clapets de non-retour
- Bulleurs
- Assècheur (ou système d'assèchement) de gaz, - Système de filtrage de l'électrolyte,
- Parties de refroidissement.
- Pile à hydrogène
- Sorties sécurisées des gaz
- Sortie Électricité Le réservoir principal de la matrice contient l'électrolyte de l'ensemble des modules. Pour le générateur faisant l'objet de cette invention, nous déterminons toujours un volume minimum qui répond à la contrainte liée à la puissance demandée et l'espace disponible (cas d'embarqué par exemple). Pour notre explication, nous allons considérer que la puissance demandée doit répondre à une autonomie de 34 heures avec un volume de 150 litres de gaz par heure.
Le calcul du volume pour un système composé d'une matrice avec un réservoir pleine d'électrolyte de trois (3) litres de contenance et d'au moins un module avec un (1) litre de contenance plein donne alors un encombrement de ladite matrice de 22 cm de longueur (L) sur 12 cm d'épaisseur (P) et 20 cm de hauteur (H). De même pour le module on orJtiênt ; 5,5 cm de longueur (L) sur 11,5 cm d'épaisseur (P) et 19,5 cm de hauteur (H).
Tenant compte du volume d'un seul module connecté à la matrice, la production sera de 1285 litres de gaz par heure, soit 20 l/mn (sur la base d'un rendement de 85 % correspondant à environ 4 heures de fonctionnement à plein régime). Les inventeurs ont remarqué que 200 1 /heure de gaz HHO était suffisante pour l'enrichissement en GEH des moteurs à combustion interne (jusqu'à 4 litres de cylindrée). Pour cette quantité l'autonomie du système passera à 25 heures. .
La production de l'hydrogène est contrôlée par la carte électronique de commande composée de :
Processeur, mémoire, programme et interfaces électroniques d'entrée et de sortie.
Composants de mesure de courant et de tension avec convertisseurs. Capteurs et système de sécurité et de contrôle de polarité. - Écran de contrôle et connecteurs.
Échangeur et convertisseur d'énergie. Capteurs de température. Détecteur d'appel d'air. Différents capteurs et contrôleurs. - Sortie des gaz.
Dans la présente invention, « le point de contrôle » est caractérisé par le couple « Contrôle - Commande » :
1- Contrôle : Généralement une entrée issus d'un capteur vers l'unité électronique de commande. 2- Commande : Principalement « une sortie de commande depuis l'électronique de commande vers l'organe de destination généralement lié à une action ou capteur ou affichage ».
3- La mécanique ou actionneur/régulateur de contrôle lui-même gérant un flux Les fonctions essentielles de contrôle sont : - Contrôle de l'état de marche (par capteur de pression d'huile dans le cas d'un véhicule par exemple).
Contrôle du niveau de l'eau dans le réservoir principal. Contrôle du niveau dans le réservoir concentration ionique. Contrôle du niveau dans le réservoir tampon. Contrôle du niveau dans les bulleurs. Contrôle de température du réservoir d'électrolyte. Contrôle de température de l'électrolyseur. - Contrôle de température dans le système de refroidissement.
Contrôle du niveau de pression dans le réservoir d'électrolyte. Contrôle du niveau de pression dans le module d'électrolyse. Contrôle de la concentration ionique dans le réservoir principale. Contrôle de convertisseur de tension, de courant de changement de polarité et de fréquence.
Contrôle de courant dans la pile à hydrogène. ' - Contrôle des pompes de mélange et de système de refroidissement.
Contrôle et mesure de régime (pour une utilisation dans les moteurs à combustion interne, cette tache est effectuée en permanence par le système électronique de commande alors que dans le cas de production d'électricité, le système n'ajuste pas le besoin car une pile de conversion ou de stockage est chargée en permanence).
Afin de mieux comprendre cette invention, nous allons décrire la production d'un des éléments importants qui est l'hydrogène. À la mise sous tension du système, l'électronique de commande effectue un autotest et après vérification des paramètres de sécurité, les électrodes situées dans le module d'électrolyse sont alimentées. La production simultanée aux besoins et le débit de l'hydrogène sont contrôlés par :
- Intensité du courant, appliquée aux électrodes.
- Fréquence des impulsions déterminant la période de l'électrolyse - Contrôle de mise sous tension de « UNE » ou de plusieurs chambres d'électrolyse.
- Étage tampon. -Surface de l'électrode.
- Niveau d'électrolyte.
Notons que dans le cas particulier de production du mélange stoechiométrique HHO, le système de changement de polarité peut être activé.
L'électronique de contrôle de l'unité détermine en permanence le débit de l'hydrogène en mesurant le volume de gaz produit par les débitmètres installés à la sortie du système d'assèchement des gaz et informe l'utilisateur par affichage sur écran moniteur. Toutes les informations importantes peuvent être visualisées sur l'écran du même moniteur. Ces informations sont illustrées par les figures 7 et 9.
Le (ou les) module (s) d'électrolyse du système est (sont) composé (s) de conduite d'arrivée et de retour sous pression d'électrolyse ainsi que d'interconnexion et de retour des gaz. Le connecteur des modules assure l'arrivée et retour des signaux propres du module lui-même ainsi que son alimentation comme illustré par la figure 3D. Chaque module assure également un passage libre des informations des modules adjacent grâce à une carte électronique installée individuellement dans son logement prévu à cet effet. La chambre d'électrolyse est composée d'un minimum de deux (2) électrodes en nano nickel montées en « 3D (Effet 3 dimensions ou Triple Nano Effet) », dans un électrolyte sur un lit fluidisé comme illustré dans la figure 12D qui montre une augmentation exponentiel de la production des gaz avec la technique d'un lit fluidisé (Fluidized Bed Design ou "FBD"). Cette technique consiste à l'ajout des nano particules dans l'électrolyte. Cette troisième variable (en troisième dimension Z par rapport aux axes X et Y définissant le plan de l'électrode) permet d'accroître la surface de la réaction par le fait que les particules en suspension viennent s'ajouter à la surface de l'électrode dans sa troisième dimension.
Sachant que les moteurs à combustion interne utilisés dans le transport ou dans l'industrie, ont la particularité de produire des gaz à effet de serre lors de leur fonctionnement. La production des gaz polluant s'accentue considérablement lors du démarrage à froids de ces moteurs. La solution innovante apportée pour palier à ce problème par les inventeurs (quand cette invention est utilisée en hydrogène d'assistance) est l'utilisation des informations fournit par le capteur de la température associé à une horloge interne de la commande électronique du système. En effet, on peut facilement déterminer l'état du démarrage (à froids ou moteur chaud) à l'aide d'un tableau de correspondances entre ces deux variables (tableau façonné pour palier à une utilisation du produit dans des zones ou des pays différents). Par exemple un démarrage à froids à une température ambiante de 100C nécessite un débit au démarrage d'hydrogène plus important qu'un démarrage à une température ambiante de 40°C. Notons qu'une diminution de la température de la chambre de combustion permet de contrôler les oxydes d'azotes (NOx). Un avantage de cette invention consiste à séparer l'hydrogène et l'oxygène à partir de sa production autour des électrodes, ce qui contribue considérablement à la diminution de la production des NOx.
Après le démarrage du système, l'électronique de commande vérifie à chaque instant la demande et ajuste le débit de l'hydrogène par les différentes techniques décrites dans cette invention. Cette production est toujours basée sur le besoin en gaz pour l'utilisateur auquel il faut ajouter la production nécessaire pour les fonctions d'asservissement (étage tampon) qui répond aux cas d'accélération pour une utilisation dans le domaine des moteurs à combustion par exemple.
Un des points importants de l'invention réside dans le système d'asservissement qui contrôle l'électrolyse et dont le débit du gaz. À chaque accélération instantanée, cette chambre tampon diminue son cycle de condensation pour répondre à la demande de surplus momentanée du gaz demandé (pour le moteur à combustion par exemple).
À chaque décélération instantanée, cette chambre tampon augmente son « cycle de condensation » (la différence de l'hydrogène en cours de production dans la chambre du réacteur avant que la commande de diminution de gaz soit effectivement exécutée et stabilisée dans le but de répondre à la demande de réduction momentanée du gaz) pour répondre à la demande par le moteur à combustion interne par exemple et cela, avant que le système ne rentre dans son cycle normale. En effet ; Un étage tampon qui permet de répondre efficacement à des demandes lors des appels (pointe, à-coups ou accélérations) en demande et d'absorber lors de refus (creux, surplus ou décélération) en demande de l'hydrogène produite permet la production simultanée aux besoins. Cet avantage permet également de palier à la constante des temps du système provoqué par l'inertie des sous ensemble dans la chaîne de production du gaz par le système d'électrolyse. Le volume d'un étage tampon dépend directement de la constante des temps d'électrolyseur.
Les solutions classiques consistent à une réalisation par compression d'Hydrogène avec les implications suivantes :
- Renforcement de la chambre de stockage,
- Utilisation d'une pompe, - Augmentation de la consommation générale de l'ensemble,
- Gestion de la variation de pression,
Ou encore par solidification (hydrure de métaux ou des nano poreux) avec ses caractéristiques à savoir :
Volume à faible pression moins sensible à une gestion minutieuse. - Restitution instantanée d'hydrogène dissous (emmagasiné) dans le corps des matériaux et ...
- Absorption de surplus d'hydrogène sur commande de l'électronique de commande. Toutes ces contraintes sont résolues par l'étage tampon faisant partie de cette invention. En effet, le besoin en production simultanée est facilement quantifiable par type d'application. Par exemple, pour une utilisation dans l'assistance de l'hydrogène dans le secteur de transport, et pour un véhicule de 2 litres de cylindre, le système est sollicité pour répondre à des accélérations brusques qui sont de l'ordre de 5 à 10 secondes. Cela correspond à un volume max de 250 ml/s d'hydrogène supplémentaire avant que l'électrolyseur ne soit réglé à cette capacité (environ 3 secondes, la valeur de la constante des temps du système). De même, lors de la décélération, une capacité d'absorption de la production d'hydrogène en cours. Il faut donc un stockage équivalent, du même ordre que précédemment décrit pour cette phase, soit environs SOOml/s. Autres phénomènes à contrôler dans ces cas de figure sont la commande d'activation des hydrures des métaux et leur constante des temps propres dans chaque phase. Rappelons qu'un Kg d'hydrogène à la pression normale occupe un volume de 11 m3. Il peut donc nécessiter une gestion de pression dfhydrogène dans l'étage tampon. Cela rend très difficile le stockage dans l'état voire impossible dans les systèmes embarqués. Un avantage majeur de cette invention est le fait que l'étage tampon n'utilise aucun stockage pour remplir l'intégralité de cette fonction. En effet, l'électrolyseur produit de façon distingue et séparé, l'hydrogène et l'oxygène. Comme nous l'avons décrit, chaque gaz est individuellement canalisé et son débit contrôlé par l'électronique de commande. La compréhension de cet avantage est simplifiée par une description de certaine possibilité de l'électrolyseur : -. Un électrolyseur d'une capacité de 18001/h d'hydrogène en surproduction de 10 % par rapport à son besoin d'assistance qui est de 0 à 0,5 l/s, verra une production totale d'environ 0 à 50 ml/s max à gérer.
Il y a donc un surplus d'hydrogène dans le circuit pour répondre à tout demande en pointe dans cette période (ou lors d'une accélération). Tout surplus inutilisé est immédiatement aiguillé vers la pile à hydrogène muni de son bac de conversion où l'oxygène est également envoyé en quantité nécessaire pour une production de H2O. Il s'agit de l'eau pure qui est réinjecté dans le réservoir de la matrice. Cette solution ingénieuse permet de contrôler également la concentration ionique de l'électrolyse.
- Évidemment toute décélération ou refus d'utilisation de l'hydrogène déjà produite et • instantanément en attente augmente cette procédure de production de l'eau. Tout surplus de l'eau est évacué par un simple système de valve de sortie.
À tout instant la gestion de flux pour chaque gaz, permet une réponse instantanée à des demandes en pointe (fonction présentée en détail dans la figure 5). En effet, dans une application d'assistance d'hydrogène à la demande pour les moteurs a combustion interne, le besoin en hydrogène est une fonction de la vitesse instantanée, de la cylindrée et du type du véhicule. Le débit en hydrogène est alors mis à une valeur initiale lors de paramétrage du système. Ce paramétrage se fait généralement au moment de l'installation de la présente invention.
Ses deux (2) avantages de la présente invention sont importants pour la sécurité et la production à la demande de l'hydrogène. Le débit est ainsi facilement contrôlé et couvre les gaps éventuels générés par l'inertie ou une constante de temps du système. Notons que :
- Dans le cas particulier de gaz stœchiométrique HHO, la pile à hydrogène peut être remplacée par un système de refroidissement. La chambre de condensation récupère l'eau sortie de la pile à hydrogène ou la re-condensation de l'excès des gaz.
- La mise en place de diaphragme 3B-4 (FI6.3B) conditionne la séparation des gaz hydrogène et l'oxygène.
La solution novatrice proposée dans cette invention va décrire un électrolyseur SUPER EFFICACE qui augmente considérablement le rendement énergétique des électrolyseurs. En effet, parmi les types d'électrolyse existants pour la génération d'hydrogène (acides et alcalins). L'élεctrolyse alcaline est la plus adaptée car elle élimine le besoin de coûteux des métaux précieux pour servir de catalyseur, et avec une grande surface de particules nano échelle, la réaction catalytique est plus efficace. Pour l'électrolyse alcaline, le nickel est idéal parce qu'il est beaucoup moins coûteux que le platine, peuvent facilement être produit à l'échelle nano. Nano échelle de nickel augmente également la superficie disponible pour la réaction catalytique qui génère de l'hydrogène, ce qui augmente l'efficacité et les taux de production. Un des avantages de la présente invention est sa chambre d'électrolyse caractérisé essentiellement par son rendement élevé (85 %) en gaz de l'ordre de 1285 l/h, son encombrement réduit qui est de 5cm de longueur sur 12 cm de largeur et 19 cm de hauteur, son ergonomie, sa robustesse, sa facilité dé montage et d'intégration en version embarquée, sa modularité. II est aussi simple de considérer des configurations qui permettront un contrôle de surface des électrodes exposés à la réaction d'électrolyse (contrôle de niveau ou surface d'exposition). Le module est composé de :
1- La chambre d'électrolyse,
2- Un minimum de deux (2) électrodes, a. Anode, b. Cathode,
3- Une solution électrolytique permettant la réalisation de la réaction chimique.
4- Entrées / sorties d'électrolyte, sortie des gaz, 5- Interconnexions avec les bornes d'alimentation.
La solution innovante utilisée pour le module de base permet de produire en moyenne 1285 litres / heure (l/h) avec la possibilité de commander la quantité de gaz voulue à un instant « t ». En effet, grâce à la technologie d'électrolyse en lit fluidisé "FBD" qui permet de réaliser la réaction 3D, et au catalyseur Ni/Fe (Nickel/Ferrite) de très grande surface spécifique appelé « nano catalyseur ». Le lit fluidisé permet d'accroître la surface de l'électrode et donc réduire la densité de courant de réaction entre le lit fluidisé et l'autre électrode. Sur la base d'une tension de 1.59 volts et un courant appliqué aux électrodes de 5A/ cm2 on obtient un rendement de 8S % soit environs 1800 watts. Selon la loi de Faraday pour un Kg de H2, il faut 33000 watts/h, donc une puissance de 1800 watts produit environ 0.05 Kg de H2. Dans des conditions de pression et température normales, une mole d'hydrogène occupe un volume de 24 litres d'où le volume de H2 correspond à 600 litres.
Pour faire face à la problématique de surface des électrodes dans un électrolyseur, nous utilisons les nano poudres de nickel (mélange des particules de 1 à 10 ou 5 à 20 nanomètres, enrobés d'oxyde de nickel d'une épaisseur de 0,5 à 1,5 nanomètre). À faible coût, les nanomatériaux nécessaires pour augmenter la surface de catalyseur sur les électrodes (environs 1000 fois) produisent directement l'hydrogène à partir d'eau et d'électricité avec un meilleur rendement et une plus grande production des gaz hydrogène et l'oxygène. Dans la présente invention, ce système très efficace est monté dans un module compact et se monte facilement sur la matrice embarqué dans le cas d'une assistance à la demande.
Un autre aspect de cette invention concerne un nano carbone filamenteux poreux et son procédé de formation pour une utilisation dans la fabrication des électrodes employé également dans les piles à hydrogène. Un mésopore formé sur la périphérie du nano carbone filamenteux poreux est un pore du type tunnel qui est formé dans le sens d'agencement d'un plan hexagonal de carbone de la périphérie vers un axe de fibre. Ledit nano carbone filamenteux poreux est produit par retrait sélectif du plan hexagonal de carbone constituant le nano carbone filamenteux via une gazéification au moyen d'un catalyseur, après dispersion élevée de Fe, Ni, Co, Pt, etc. dont la taille est comprise entre 2 et 30 nm, sur la surface du nano carbone filamenteux. Le mésopore du type tunnel est formé radialement au moyen d'un processus de nano forage. La taille du nano carbone filamenteux poreux peut être régulé en fonction de la taille du catalyseur de nano forage et des conditions de nano forage. Selon des méthodologies expliquées dans la présente application, nous constatons que certains matériaux produisent une grande surface métallique. Les électrodes de références sont des files en Zinc ou en Nickel et la solution chimique est Eutectique KOH (33 % aqueuses). Ces nouvelles générations d'électrodes, produisent 75 % plus d'efficacité à basse courants électriques tout en restant raisonnablement efficace à plus fort courant de surface.
Le tableau ci-dessous montre l'efficacité des nano métaux en fonction d'un type d'électrolyse.
Figure imgf000019_0001
Comme nous avons décrit plus haut ; les Nano conducteurs parfaits présentent une impédance élevée :, Pour prendre en compte en plus les impuretés présentes dans le milieu, on introduit les Dn, coefficients de transmission associés au nième mode de propagation, et l'on obtient G=I n=l N Dn 2 e2/ h . Expérimentalement, on mesure cette résistance dans un gaz bidimensionnel d'électrons. Pour créer des impuretés dans le gaz, on pose une grille en surface du semi-conducteur, à environ 100 nm du gaz d'électrons. Une tension appliquée à ces grilles permet de contraindre le gaz, et crée un obstacle (par présence d'un potentiel électrostatique). La mesure fait apparaître des plateaux, liés à l'apparition d'un nouveau mode de propagation dans le milieu. Au cours de l'expérience citée plus haut, nous constatons par ailleurs qu'il y a plus de 80 % de rendement énergétique avec des électrodes de nickel poreux. Ce qui signifie que l'utilisation dés' matériaux nano échelles apporte un horizon rentable pour la production de l'hydrogène à partir de l'eau. Les études menées aux états unis, par l'organisation spécialisée (Quantum Nano) montrent qu'un catalyseur réalisé à l'aide des métaux à base des nano composites dans un réacteur d'électrolyse en lit fluidisé permet de réaliser la réaction en 3D (Catalyse dans un réacteur à Lit Fluidisé ou encore Catalysts in a Fluidized Bed Reactor « FBR ») qui dépasse un taux de 5 Amps/Cm2 fournit un rendement énergétique de 93 %. Cela est équivalent à 2 gge/hr/m2 (galon de gazoline équivalent /hr/au mètre carré) soit 21 NM3/hr/m2 (Normal Mètre Cube par Mètre Carré) et 42 kWh/kgH2.
Notons que d'autres techniques comme Électrodes à membrane permettent de production d'hydrogène à partir d'eau et à l'aide d'une chaleur (simultanément l'hydrogène et l'oxygène en quantités stœchiométriques). La source de chaleur du dispositif décrit est la combustion d'un hydrocarbure à l'aide de la technologie du brûleur poreux. Cependant, ce dispositif peut être modifié de façon à pouvoir exploiter toute autre source de chaleur, notamment un rayonnement solaire. La récente disponibilité des nano métaux sur le marché permet de concevoir une nouvelle série d'électrodes à base des nano éléments. La problématique étant la surface de l'électrolyse. En effet, lgr nickel = 0.6 cm, surface de 1.12 cm2 et que lgr nano nickel de 10 nm, représente une surface de 67 m2, ce qui corresponde à 42 kWh/kg. Il y a donc un rapport exponentiel d'augmentation de la surface produit un bond à 87 % d'efficacité (rendement énergétique) promettant 93 %.
Notons que cette technique permet de réaliser des électrodes à l'aide des matériaux à nano échelle. Il s'agit d'un élément à nano échelles à base des matériaux ou composés de carbone ou encore les tubes à nano échelle, où, lesdits matériaux comprenant des nano métaux de 1 à 50 nm ou nanotubes de carbone, appelée globalement les nano éléments. À la surface de chacun est déposé un film sensiblement continu de particules nanométriques de silicium (dans le cas dés nanotubes, ce film présente une épaisseur allant de 1 à 50 nm). Les nano éléments sont disposés de manière sensiblement parallèle entre eux et sont fixés par une de leurs extrémités à un substrat et sont disposés de manière sensiblement perpendiculaire (avec bien sure, un substrat qui est conducteur de l'électricité). Procédé de préparation d'un matériau comprenant des nano éléments, à la surface de chacun desquels est déposé un film sensiblement continu de particules nanométriques de silicium, comprenant une étape de croissance de nano éléments.
La présente invention traite également une innovation en matière'des électrodes utilisées dans la chambre d'électrolγse. En effet, l'utilisation des matériaux nouveaux dans la technique de l'électrolyse à des composées de carbones et des composées de nanotubes présentent des avantages particuliers liés à leurs propriétés de conductivité électrique et leur augmentation de surface.
On obtient ainsi un tube ouvert à ses deux extrémités, il reste donc à le fermer. Pour cela il faut introduire des défauts de courbure dans le plan de graphème, il s'agit ici de pentagones. Ces pentagones introduisent une courbure de 112° dans le feuiiiei eτ les IOIS mamerπatiφTffsr d'Euler montrent qu'il faut un minimum de 12 pentagones pour fermer le feuillet (soit 6 pentagones à chaque extrémité du tube). Les études montrent que la molécule de C60 contient justement douze (12) pentagones et vingt (20) hexagones : II s'agit donc du plus petit fullerène possible. Cependant, alors qu'une distribution théorique régulière de ces pentagones donne une forme hémisphérique, on observe le plus souvent une pointe de forme conique. Les nanotubes peuvent présenter une longueur extrêmement grande devant leur diamètre (rapport d'aspect >1000). Soumis à un champ électrique, ils vont donc présenter un très fort effet de pointe (cf. principe du paratonnerre). Avec des tensions relativement faibles, on peut générer à leur extrémité des champs électriques colossaux, capables d'arracher les électrons de la matière et de Jes émettre vers l'extérieur. C'est l'émission de champ. Cette émission est extrêmement localisée (à l'extrémité du tube) et peut donc servir à envoyer des électrons sur un endroit bien précis. La compréhension de cette partie est simplifiée par l'explication de la fabrication d'une électrode à base des pellets (des bâtonnets cylindriques de matériaux compactés), eux-mêmes à base de poudre de Nickel (micro nickel) de taille minuscules (1 à 4 microns) mélangés avec 10 % de nano Nickel (1 à 10 nm). Pour cette réalisation nous avons utilisé la technique de frittage (appelé SINTERING) (chauffage en dessous de la température de fusion) et compression de poudre de nickel. L'électrode est reliée à la cathode utilise un écran à base de platine comme support de l'électrode et un diaphragme entre Hydrogène et Oxygène à base de "Cellophane (un film fin et transparent constitué d'hydrate de cellulose) ». Le flux des ions est à un angle de 90° à la surface des pellets et les gaz sortent de la même surface. Il faut donc un liquide électrolyte en constante rotation pour éloigner les gaz produits afin de laisser les électrodes dégagées (muré de l'eau).
La figure 12B montre une nette augmentation de résultat par un facteur de 2000. Les figures 12B et 12C montrent également que l'on peut atteindre facilement une efficacité énergétique de 85 % avec des courants de l'ordre de 3 à 300 mA/cm2. La conversion des gge/hr/m2 employée (Galon de gazoline équivalent par heure et par m2 d'électrode) équivaut 125000 BTU de H2 (soit environ IkG d'H2 ). Notons que cette technique produit un volume d'hydrogène 100 fois plus important que le Graphite.
Un avantage majeur de la présente invention est son système de commande et contrôle de débit d'hydrogène à la demande. Un exemple de l'utilisation de cet avantage est pour une production d'hydrogène d'assistance à un moteur lors de la variation de vitesse ou du rapport du couple défini en puissance Cheval Vapeur.
Les limites de variation de production d'hydrogène sont définies généralement par sa capacité d'électrolyse. Dans le cas de notre invention nous allons considérer une capacité de production de 240 litres max par heure. Ce débit peut donc varier de zéro (0) à 250 l/h. Les éléments contrôlant ce débit sont :
1- L'intensité de courant (DC) appliquée aux électrodes,
2- La variation de la durée de cette intensité,
3- La température de la solution d'électrolyse. Un moyen de commande de débit est le contrôle de courant appliqué aux TélëctfôclësT Le remplacement de courant (DC) par court courant à impulsion a donc été considéré. Le contrôle d'impulsion de courant s'effectue suivant plusieurs méthodes :
- Système de contrôle de la durée et d'amplitude de courant appliqués aux électrodes à travers l'électrolyte. Un système puisé a été développée par NAOHIRO SHIMIZU, avec une variation des voltages piquent entre 7,9 à 140 V ayant une durée de 300 nS et une fréquence de 2-25 kHz. Il démontre que le court courant puisé produit un champ électrique qui aide la production d'hydrogène sans diminuer l'efficacité d'électrolyseur car l'électrolyse se produit suivant la technique de taux de transfert limité d'électron alors qu'en courant continue (DC) il se produit suivant la technique de la diffusion limitée. Système de contrôle d'impulsion d'une tension électrique produite par des impulsions de courant continu à haut voltage (20 à 40 KV) à la fréquence de 10-15 kHz (d'autres sources Internet donnent 50 Mhz et de moins de ImA). L'inductance, en série avec la capacité amorce des résonances à l'intérieur de la molécule. Celles-ci ont pour effet de casser les liaisons covalentes entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène, en utilisant très peu d'énergie. Les deux gaz ainsi séparés le restent jusqu'à ce qu'une énergie suffisante soit disponible pour les recombiner à nouveau sous forme d'eau. Ces principaux points sont repris pour créer une tension au niveau de la particule.
Dans le cas particulier de transport, le contrôle de débit pour l'enrichissement en Hydrogène (GEH) est essentiellement important dans un démarrage à froid.
En effet, la pollution la plus importante est produite lors des trois (3) premiers kilomètres au premier démarrage ou après un arrêt prolongé (cas de circulation en agglomération à haute densité de population). La présente invention apporte une solution par le fait que le contrôleur est capable de prendre une décision sur le débit basé sur les points suivants : 1- Vérification (mesure) du niveau actuel de débit en sortie du module (son débit mètre)
2- Vérification de l'aspiration (appel d'air)
3- Mesure de la température
Une décision sur l'augmentation ou la diminution de la quantité d'hydrogène est alors prise par l'unité de contrôle du module qui commande et régule la production d'hydrogène
Optimisation du débit d'hydrogène se fera à l'aide d'un paramétrage du système lors de la mise en service de l'invention. Ce paramétrage inclus la saisie du type de moteur (essence ou diesel) et de cylindre du véhicule. Dans le cas particulier de l'habitat, le contrôle de débit pour assistance d'électricité à l'aide d'Hydrogène se fait de manière automatisée et est géré par l'électronique de commande. Il est important de noter qu'une configuration de cette invention peut en combinaison avec un moteur à combustion interne, servir en tant que groupe électrogène autonome. La technologie des piles à combustible et leur gestion ont fait de grands progrès récemment sur les aspects cœur de pile. Les premières démonstrations dans le domaine des transports essentiellement doivent voir le jour dans les cinq années à venir. Mais bien des verrous devaient être levés pour une commercialisation, surtout à grande échelle. Les composants de cœur de pile nécessitent la synthèse de nouvelles membranes polymères, des catalyseurs n'utilisant plus le platine, des assemblages membranes - électrodes permettant des reproductibilités garanties. Enfin, la gestion des fluides, de la température et de l'électronique demande à être réellement optimisée. Sachant que la combustion directe de l'hydrogène est une filière à promouvoir dans un premier temps pour faire croître l'efficacité de combustion des combustibles actuels, avec leurs défauts toutefois de production de CO2 (livre blanc CNRS). Les nano métaux apportent une réponse à ces attentes. Comme décrit dans notre invention lors de l'explication du cas de l'électrolyse, l'augmentation de surface d'électrolyse permet une plus grande capacité d'échange des ions. En effet, le dihydrogène arrive au contact du pellet en nano métaux de l'électrode. Ce dihydrogène s'oxyde pour former des ions H+ et libère des électrons. La membrane ne laisse passer que des ions H+. Les électrons quittent la pile et partent dans le circuit électrique. Oe l'autre côté de la pile, les ions H+ s'associent aux électrons qui ont traversé le circuit pour réagir avec le di oxygène 02 et ainsi former de l'eau. II est un avantage de la présente invention d'utiliser les gaz produits pour les piles à hydrogène directement à la sortie de l'étage tampon et de :
Soit réguler le débit instantané de l'hydrogène,
- Soit de produire une électricité pour satisfaire les besoins en tension ou en courant d'une application quelconque. Notons qu'avec un rendement énergétique de plus de 95 % produit par la présente invention et muni d'une pile à hydrogène ayant un encombrement réduit de 05x04x12 cm3 (H x P x L) tel que décrit en Figure 2A-13 (FIG.2A) nous pouvons envisager une utilisation directe et multi propos en combinaison avec ce module pour une production d'électricité.
Figure imgf000024_0001
Certaines options de cette application permettent de stocker les gaz produits dans les hydrures. Un stockage de taille réduite sous forme de particule d'hydrure (d'aluminium par exemple) hydrogéné permet de libérer les gaz rapidement qui peut être utilisé comme piles dans les équipements électriques ou appareils portable. L'importance de la consommation énergétique dans l'habitat étant à l'ordre du jour, les rejets de CO2 qui en sont issus conduisent à privilégier des recherches et donc à mobiliser un nombre croissant de chercheurs sur les voies de l'élaboration et de la réduction de modèles transitoires et en stationnaires à des échelles variées, sur la compréhension de l'interaction homme environnement proche impliquant différents scénarios de confort ; enfin sur l'intégration d'idées nouvelles, en particulier pour la gestion et l'optimisation de l'habitat avec les énergies renouvelables et la géothermie. En effet ; L'habitat résidentiel et tertiaire est le plus gros consommateur d'énergie en France (46.6 % de la consommation nationale en 2002, alors que les transports en représentent 24.9 %). Avec un rendement de 80 %, la puissance développée est de 80 % de la puissance en entrée 1800 watts /h récupéré à la sortie de l'électrolyseur et converti en électricité nous obtenons environs 1500 w/h de puissance utile.
Étant donné qu'en règle générale pour produire 1 kWh d'électricité à partir d'une pile à hydrogène, celle-ci requière un volume moyen d'hydrogène de 800 litres/heure. Avec un seul module connecté, l'électrolyse produit 1285 litres de gaz HHO. Sachant que l'hydrogène occupe 1/3 du volume donc son volume sera de 12851 /3= 428 litres/heure. En conclusion, pour produire 1 kWh d'électricité, on aura à connecter 2 modules sur la matrice comme ça on aura 856 litres/heure (2 x 428 litres) d'hydrogène pur. Un des avantages importante de la présente invention est l'utilisation des piles à hydrogène dans une structure modulable avec une utilisation multiple et qui partage la même technologie des nano métaux dans le cycle de transformation « Eau - Gaz - Eau » avec un rendement énergétique dépassant 85 %.
Notons que pour une utilisation de cette invention avec sortie électricité, la sortie peut être équipée d'un stabilisateur de tension qui évite les voltages instables générés par le branchement des appareils (un contrôle de capacité électrique peut être utilisé pour balancer l'appel du courant provoqué par des marches/arrêts fréquents des appareils).
Le réservoir principal contient de l'eau distillée à laquelle se rajoute automatiquement un concentré ionique. La structure du réservoir répond à la contrainte de la corrosion lui-même.
Une ou plusieurs solutions de refroidissement du système peuvent être intégrées à l'ensemble.
Nous utilisons dans la présente invention les deux systèmes de circulation de l'électrolyte par pompe et du système dérivé de tourbillon que nous avons appelé Muré d'Eau comme illustré dans la figure FK3.3C).
Autres exemples de solutions envisageables sont : a. Dissipation thermique par échange calorifique. b. Utilisation du système Pelletier. c. Système de parois réfrigérées. d. Radiateur de refroidissement. e. Circulation dans la structure radiateur. f. Utilisation du système du tourbillon.
Nous devons également citer autres éléments plus communs de la présente invention. Ces éléments sont :
1- Bulleur ; C'est un système simple généralement composé de l'eau ou à base de l'eau alcoolisée permettant de purifier le gaz, de faire barrage au retour d'éventuelles flammes et de changer la température delà flamme (cas des chalumeaux) du gaz par le mélange de l'eau avec des alcools. 2- Coupe éclaire (Flash arrestor) ; C'est un système simple généralement composé d'un tube rempli de laine d'inox et avec des claquets de non-retour aux extrémités. 3- Filtre ; C'est un système de cartouche de filtrage qui purifie l'électrolyte lors de sa réintroduction dans le réservoir principal. Cela filtre les impuretés et les résidus de l'électrolyse. Concernant l'entretien du système, l'Électronique de commande indique le changement du filtre (toutes les 750 heures par exemple) et la vidange de la solution et de son entretien après un temps déterminé de fonctionnement (3 000 heures par exemple). Le contrôle de concentration ionique du système s'effectue à des intervalles réguliers. À chaque période déterminée (par exemple, 1Oh de fonctionnement cumulé) le système de contrôle de la concentration ionique se déclenche (par exemple 33 % de concentration ionique pour KOH). Un capteur placé dans le réservoir mesure la concentration et signale au processeur la mesure. Le processeur commande alors une électropompe reliée à un réservoir de solution ionique très concentrée de verser le concentré ionique dans le réservoir principal de la matrice. Une deuxième mesure d'appoint (réajustement) est déclenchée au bout d'un cycle complet de rotation d'électrolyte dans les modules de l'électrolyse pour tous ajouts éventuels du concentré ionique. 4- La carte électronique de commande ne présentant que des fonctions classiques, bien connues, ne sera présentée que par son bloc-diagramme à cause de l'évidence de ses tâches.
Notons que le cycle de contrôle de la concentration ionique se déclenche également : - A chaque vidange de l'étage tampon par palier prédéterminé (50 ml par exemple), - À chaque rajout d'eau dans le réservoir principal.
De plus, l'utilisation des matériaux nano structurés dans la réalisation des pellets d'électrodes n'est pas contrainte au niveau cristallographique, propriété qui évite la dégradation de l'électrode. L'exemple est pris pour une surface d'un mètre carré et comme indiqué une utilisation conjointe des électrodes normales à des nano électrodes disposant de capacités physiques produise une grande efficacité à des amplitudes électriques élevées. C'est le phénomène Triple Nano Effet (nano 3D ou encore Effet Nano en 3 Dimensions). Les résultats illustrés dans la présente invention permettent une efficacité de production d'hydrogène multiplié par sept (7) et une efficacité maintenue aux alentours de 85 %. De tels résultats permettraient d'envisager une production de masse pour le combustible nécessaire pour toute application utilisant l'hydrogène.
Notons que l'utilisation des nanomatériaux composés de nickel et de cobalt pourrait remplacer partiellement ou entièrement les catalyseurs de platine, dans une variété d'application faisant appel à des batteries et à des piles à combustible (par exemple, si l'on remplaçait toute la platine qui se trouve sur la cathode (7,7 microgrammes [μg] par centimètre carré [cm2]) par du nickel cobalt, on pourrait réduire les coûts de 90 %, par rapport à ceux de la platine pure, mais le rendement diminuerait de 27 %. Par contre, si l'on remplace la moitié de la platine, les coûts baissent tout de même de 43 % et l'on ne perd que 10 % sur le plan du rendement.
DESCRIPTION BREVES DES FIGURES
Figure 1 représente l'assemblage de la Matrice et de ses Modules d'électrolyses avec leur interconnections pour une production à la demande d'hydrogène d'assistance dans la présente invention.
Figures 2A et 2B représentent respectivement la matrice seule assemblée sans son module d'électrolyse {2A) et les détails de l'étage tampon et du compartiment de retour (2B).
Figures 3A et 3B représentent respectivement le module « électrolyseur » avec ses connections d'entrées et de sorties (3A) et le détail des électrodes avec de pellets de nano métaux montés dans la chambre d'électrolyse (3B) comme présentées dans la présente invention.
Figures 3C et 3D représentent respectivement le principe du muré d'eau (3C) et l'Électronique de commande individuelle et interconnexion de chaque module (3D).
Figures 4A et 4B représentent respectivement le montage et l'Installation du système dans un véhicule (4A) et de la Position de l'afficheur de moπitoring (4B),
Figures 5 représente le principe de l'assistance de production d'électricité à domicile avec l'utilisation d'un générateur d'hydrogène et une variante du même principe, générant le mélange HHO de la présente invention.
Figures 6A et 6B représentent respectivement le principe de base de l'Électrolyseur d'assistance d'hydrogène (6A) et une variante pour la production du mélange HHO (6B) de la présente invention.
Figure 7 représente le bloc-diagramme des commandes du système de la présente invention. Figure 8 représente le bloc-diagramme de l'électronique de commande de la présente invention.
Figures 9A, 9B et 9C représentent respectivement l'Organigramme de traitement des données en cycle normal (9A), en cycle de démarrage à froids (9B) et en cycle d'accélération et de décélération (9C) pour une utilisation dans le secteur de transport de la présente invention. Figures 10 représente le cycle de transformation Eau Gaz Eau utilisé dans le principe de cette invention.
Figures 11 représente le principe d'une pile à hydrogène à haut rendement basé sur le principe des nano éléments. Figures 12A et 12B représentent respectivement le taux d'efficacité des différents métaux constituant les électrodes de l'électrolyseur (12A), le taux de production d'hydrogène des électrodes, fabriquées avec des pellets nano métaux 3D, montés sur barre de platine (12B), en rapport avec la présente invention. Figures 12C et 12D représentent respectivement les courbes voltampères des électrodes avec leur efficacité d'un électrolyseur super efficace utilisant une réaction d'électrolyse pour la production de l'hydrogène sur un lit fluidisé (12C) et les courbes voltampère de la cathode d'une catalyse à base de la poudre des (nano) nMnOx comparé aux nano cobalt (nCo) (12D) en rapport avec la présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEES DE L'INVENTION AVEC DES FIGURES
Pour une compréhension complète de la présente invention, nous allons détailler l'ensemble dès figures décrivant les différents points du système.
Comme indiqué à travers de la Figures 1, la modularité de l'ensemble est assurée par la capacité de l'invention de produire une quantité d'énergie ou d'hydrogène variable (par exemple ; qui varie de 00 ml/s à 350 ml/s pour l'hydrogène). Cela est rendu réalisable à travers les modules d'électrolyses présentés par l'ensemble des Figures 3 qui se montent sur la matrice des Figures 2. La matrice 1-1 (Fig.l) contient également l'étage contenant la pile à hydrogène qui assure la production de l'électricité. La matrice 1-1 (Fig.l) est composée de sa carte d'électronique de commande 2B-1 (Fig.2B)des indicateurs de connexions inter modules 2A-9 (Fig.2A), du réservoir principal 2A-10 (Fig.2A), qui est relié à une pompe 2A-14 (Fig.2A) à débit variable alimentant les modules en électrolyte, contrôlé lui-même par la carte de commande de débit variable 5-12 (Fig.5), surmonté d'une série contrôleur 5-2 ; 5-3 ; 5-4 ; 5-5 (Fig.5) qui gèrent respectivement le niveau de l'électrolyte, la concentration ionique, la température et de pression. Cette matrice est munie d'un réservoir secondaire 2A-8 (Fig.2A) où vient se loger la cartouche 2A-7 (Fig.2A) du concentré ionique de l'électrolyte pour l'ensemble du système. La cartouche 2A-7 (Fig.2A) est reliée à une petite pompe 2B-10 (Fig.2B), déversant le concentré ionique par le canal 2B-2 (Fig.2B) dans le réservoir principale 2A-10 (Fig.2A). Les modules d'électrolyses 1-2 (Fig.l) se montent de la façon suivante : Le premier module se fixe dans le logement 2A-16 (Fig.2A) de la matrice 1-1 (FIG.1). Puis, suivant le débit souhaité, d'autres modules supplémentaires 1-2 (FIG.1) peuvent s'imbriquer par ajout. L'ensemble se termine par un couvercle de fin de module 1-3 (Fig.l) en utilisant les points de fixation 3A-5 (Fig.l). Les indicateurs 2A-9 (Fig.2A) sous cache translucide 1-4 (Fig.l) informent de la bonne communication de l'ensemble ainsi assemblé.
Chaque module d'électrolyse 1-2 (Fig.l) est composé de 3 compartiments distincts :
- Le compartiment d'arrivée 3A-3 (Fig.3A) comprenant le bloc connecteur 3A-9 (Fig.3A) par lequel transit l'alimentation des modules 1-2 (Fig.l) à travers les connecteurs 3D-4
(Fig.3D), les données 3D-3 (Fig.3D) et les contrôles 3D-2 (Fig.3D), la conduite d'arrivée de l'électrolyte 3A-4 (Fig.3A) muni d'un clapet de blocage/raccordement 3B-3 (Fig.3B) et d'un contacteur d'inter connexion 3D-5 (Fig.3D) qui renvoie un signal aux indicateurs 2A-9 (Fig.2A). À l'intérieur de ce compartiment se trouve la carte électronique de commande module 3D-1 (Fig.3D).
- La chambre d'électrolyse 3A-2 (Fig.3A) comprend les électrodes en nano métaux composés de l'anode 3B-5 (Fig.3B), de la cathode 3B-2 (Fig.3B), d'un diaphragme (monté en option selon le besoin en type du gaz souhaité) 3B-4 (Fig.3B) et de la membrane électrolytique 3B-1 (Fig.3B) (bloquant les liquides et laissant passer les gaz) et des orifices d'entrée de l'électrolyte sous pression 3C-2 (Fig.3C) qui génèrent « le muré d'eau » 3C-1
(Fig.3C). Ces orifices sont disposés de par et d'autre d'un châssis en forme de « V » 3C-3 (Fig.3C) où loge l'électrode concernée.
- Le compartiment de sortie 3A-1 (Fig.3A) comprend la conduite 3A-7 (Fig.3A), de retour de l'électrolyte vers le réservoir principal 2A-10 (Fig.2A), de la matrice 1-1, les conduites des gaz hydrogène 3A-6 (Fig.3A) et l'oxygène 3A-8 (Fig.3A) convergeant vers le compartiment réception 2A-19 (Fig.2A) et 2A-17 (Fig.2A) de la matrice 1-1 (Fig.l), qui n'est d'autre que l'entrée du (des) bulleur (s) 2B-9 (Fig.2B) assurant la fonction « Filtrage/Séparation » connue pour son effet purificateur (ou barrage d'eau et filtrage lors du retour des gaz). Nous allons donc suivre le parcours des gaz et ses éventuelles transformations dans la présente invention. À leur sortie des bulleurs 2B-9 (Fig.2B) les gaz se dirigent vers un compartiment de séchage de gaz 2A-11 (Fig.2A) et de blocage au retour d'éventuelles des flammes (plus connu sous la dénomination de Flash Arrestor ou Blocage éclair). Une partie des gaz asséchés sortant de ce compartiment se dirige vers une pile à hydrogène 2A-13 (Fig.2A) alors que l'autre partie est aiguillée vers les sorties des gaz 2A-1 (Fig.2A) et 2A-2 (Fig.2A). La vapeur d'eau générée par la pile à hydrogène dans ce processus est collectée dans une chambre de condensation 2A-15 (Fig.2A) avant d'être envoyée dans le réservoir tampon 2B-5 (Fig.2B). Au remplissage de ce réservoir ou sous l'indication d'un contrôleur de niveau 2B-6 (Fig.2B), une autre petite pompe 2A-12 (Fig.2A) dirige cette eau vers le réservoir principale 2A-10 (Fig.2A). Cet avantage permet une production d'électricité 5-20 (Fig.5) par la sortie 2B-7 (Fig.2B), envoyée soit vers une unité de stockage 5-18 (Fig.5) quelconque (batterie par exemple) ou consommée sous sa forme DC ou encore après une transformation à travers un convertisseur DC-AC 5-19 (Fig.5) dans l'habitat. La sortie de courant dispose d'un contrôleur 5-25 (Fig.5).
Une variante de cette invention permet d'obtenir un mélange des gaz hydrogène et oxygène par la suppression du diaphragme 3B-4 (Fig.3B), sous forme stoechiométrique (connue sous la dénomination HHO ou Brown Gas au nom de son inventeur selon le brevet d'invention n° US/4,081,656 ; US/4,014,777). Cette forme de gaz très énergétique, est produite dans le but de l'enrichissement des moteurs à combustion internes (GEH) ou vers des utilisations dans le domaine de l'industrie (découpe, soudure ou système d'incinération par exemple). Il suffit pour cela d'enlever le diaphragme 3B-4 (Fig.3B) et de remplacer l'étage comportant la pile à hydrogène par une conduite simple d'aiguillage vers les conduites déjà existantes. Dans cette configuration, la production pourra être contrôlée pour un excès compensant les fonctions d'accélération et de décélération possible pour une application dans le domaine du transport (automobile par exemple). Concernant l'électrolyte ; Le retour de l'électrolyte des modules 1-2 (Fig.l) s'effectue par la conduite 2A-18 (Fig.2A) avant de passer dans un compartiment de filtrage 2A-3 (Fig.2A) où un filtre 2B-8 (Fig.2B) est installé, pour être ré-injecté dans le réservoir principale 2A- 10 (Fig.2A) par la conduite 2B-3 (Fig.2B). Une configuration particulière liée aux contraintes des paramètres de températures en vue d'obtention d'un meilleur rendement consisterait à l'intégration d'un système de refroidissement 5-21 (Fig.5) monté dans la matrice (cas de remplacement de pile à hydrogène 2A-13 (Fig.2A) par un système de refroidissement par exemple).
La matrice 1-1 est composée d'une carte électronique principale 2B-1 (Fig.2B), sous couvert 2A- 5 (Fig.2A) et reliée à une source électrique 5-1 (Fig.5) et communicant avec le moniteur 5-6 (Fig.5) par l'orifice 2A-4, d'une carte électronique secondaire 2B-4 (Fig.2B) chargée de l'interconnexion des commandes entre les modules 1-2 (Fig.l) et l'électronique de commande de la matrice 2B-1 (Fig.2B).
L'emplacement des différents contrôleurs et capteurs a été désigné par un choix judicieux des inventeurs afin de permettre une gestion efficace de l'ensemble des fonctionnalités du système. Les fonctions les plus remarquables de l'invention sont :
- L'alimentation électrique de l'électrolyseur 5-1 (Fig.5) peut-être fournit par une ou plusieurs sources énergétiques 5-11 (Fig.5). Cette alimentation est en partie une récupération des énergies disponibles, dépendantes de l'environnement et du domaine de l'utilisation (exemple thermo électrique dans le cas de moteurs thermiques, pile à hydrogène 2A- 13 (Fig.2A) dans la matrice, énergies renouvelables comme éoliens, le solaire, photovoltaïque 5-11 (Fig.5). Le débit du courant est contrôlé par la carte 2B-1 (Fig.2B).
- La paire « Contrôle, Commande » du système est composés de : " Contrôle, commande Automatique ou mécanique sans intervention de l'électronique de commande :
• Contrôle de pression réservoir et soupape 2A-6 (Fig.2A), " Contrôle de pression d'huile (Fig.9A),
" Contrôle de contact (témoins de montage) inter -modules 2A-9 (Fig.2A), " Contrôle de pression dans la chambre d'électrolyse 3D-5 (Fig.3D), • Contrôle de température critique par relais thermique 1-5 (Fig.l),
" Contrôle, commande sur décision de l'électronique de commande (Fig.9A),
" Contrôle, commande sur le réservoir principal 2A-10 (Fig.2A) de la matrice 1-1 :
• Contrôle de niveau 5-2 (Fig.5) et Commande affichage ou commande arrêt du système, " Contrôle concentration ionique 5-3 (Fig.5) et commande d'affichage ou commande arrêt de la pompe 2B-10 (Fig.2B),
' Contrôle de température 5-4 (Fig.5) et Commande affichage et arrêt du système, ' Contrôle de pression 5-5 (Fig.5) et commande affichage et arrêt du système,
• Contrôle, commande sur la pompe principale 2A- 14 (Fig.2A) de la matrice 1-1 : " Contrôle de fonctionnement 2A- 14 (Fig.2A) et Commande affichage et commande arrêt de la pompe et du système,
• Contrôle débit et commande électronique 5-12 (Fig.5) de débit suivant les critères de nombre de modules, température, débit à la demande,
• Contrôle, commande sur le module 1-2 (Fig.l) : " Contrôle de température 5-8 (Fig.5) et Commande affichage et commande arrêt du système,
• Contrôle de pression 5-9 (Fig.5) et commande affichage et commande arrêt du système,
" Contrôle de courant 5-7 (Fig.5) et Commande affichage et commande arrêt du système si valeur critique ou anomalies,
" Contrôle, commande sur le(s) bulleur(s) 2B-9 (Fig.2B) :
" Contrôle de niveau 5-10 (Fig.5) et Commande affichage si niveau bas et commande arrêt du système si valeur critique ou zéro,
• Contrôle, commande sur le débit des gaz 2B-11 (Fig.2B) : " Contrôle de débit 5-13 (Fig.5) et Commande affichage en temps réel et :
" si niveau de débit est bas ou nulle commande arrêt du système,
" si valeur critique ou zéro atteint après un cycle complet d'augmentation par commande courant arrêt du système, " Sinon procéder par asservissement pour l'ajustement du débit.
" Asservissement cas d'accélération (Fig.9C) : II s'agit d'une augmentation de débit des gaz avec un contrôle permanent du débit en vu de sa stabilisation. " Asservissement cas de décélération (Fig.9C) : II s'agit d'une diminution de débit des gaz avec un contrôle permanent du débit en vu de sa stabilisation. " Asservissement cas de démarrage à froids (Fig.9B) : II s'agit d'une augmentation conditionnée par une prise et contrôle de température et de l'horloge pour ajuster le débit des gaz avec un contrôle permanant de la température en vu de l'optimisation du débit.
• Contrôle, commande sur le réservoir 2B-5 (Fig.2B) de l'étage tampon : " Contrôle niveau 5-14 (Fig.5) et Commande 5-17 (Fig.5) pompe 2A-12 (Fig.2A) et commande lancement d'un contrôle du cycle de concentration ionique 5-3 (Fig.5). Contrôle, commande sur le réservoir de la cartouche de la concentration ionique 2A-7 (Fig.2A) :
• Contrôle niveau 5-15 (Fig.5) et Commande 5-16 (Fig.5) pompe 2B-10 (Fig.2B). " Contrôle, commande sur le système de refroidissement 5-21 (Fig.5).
" Contrôle de température 5-22 (Fig.5) et Commande déclenchement des ventilateurs et commande de vitesse de ventilation.
" Contrôle des ventilateurs 5-23 (Fig.5) et commande de déclenchement forcé. Une variante de la présente invention ainsi décrit se monte dans l'application de transport de façon très simple en vu de fournir une assistance en hydrogène et à la demande aux moteurs thermiques, tell que décrit en (Fig.4A) et (Fig.4B). En effet ; le système 4A-3 (Fig.4A) pré configuré pour un débit adapté aux besoins de l'application se monte de préférence à l'avant du radiateur 4A-2 (Fig.4A) ou dans un emplacement aéré. En raison de son faible encombrement, le système peut s'installer même dans des petits véhicules (petites cylindrées européennes). Les gaz produits passent par un conduit 4A-4 (Fig.4A) vers le filtre à air 4A-1 (Fig.4A). Le moniteur d'affichage 4B-1 (Fig.4B) fournit l'interface utilisateur ou interface installateur du système.
Une variante de cette invention peut se connecter sur un connecteur fourni par les fabricants d'automobiles de façon standard de nos jours : OBD (On Board Diagnostics ou Système de Diagnostique Embarqué) 4B-2 (Fig.4B), lui permettant une collecte directe des informations (couple, puissance, consommation temps réel, taux d'oxygène, etc. par exemple) vers le système faisant l'objet de la présente invention, lui permettant une meilleure optimisation de ses fonctionnalités. Les commandes électroniques du système (Fig.7) sont conçues pour intégrer les différents aspects et différentes interfaces « homme - machine » de cette invention la rendant très simple et conviviale lors de l'utilisation.
Le bloc-diagramme des composants principaux de l'électronique de commande du système (Fig.8) met en avant sa souplesse en ajouts des fonctions supplémentaires et lui assure une évolution avec une adaptabilité remarquable au fur et à mesure de son entrée sur le marché mondiale. En effet les commandes processeurs sont exécutées par la structure du système qui en accuse au retour la réception de bonne exécution, tout en veillant à ses périphériques à travers des capteurs. Les cartes électroniques et les interconnexions acheminant des informations vitales sont protégées par une enveloppe (blindage) contre des champs électriques et électromagnétique. Le cycle de transformation de l'eau représenté en Figure 10 illustre par une boucle fermée le principe d'obtention de l'énergie en alimentant le système par les sources produisant des énergies renouvelables. La Figures 11 illustre le principe d'une pile à hydrogène à haut rendement basé sur l'utilisation des nano éléments dans le cadre de cette invention.
La figure 12A illustre le taux d'efficacité des différents métaux pour produire l'équivalent de 4 litres de gaz d'une surface d'un mètre carré (Im2). Par exemple, il faut 34 jours pour des électrodes en Graphite alors que ce temps est de respectivement de 15 jours pour des électrodes en micro nickel, 3jours pour le nano nickel, δheures pour nano nickel 3D et de 25 minutes pour les nano nickels dans un réacteur d'électrolyse en lit fluidisé (FBD) avec 85 % d'efficacité en rapport avec la présente invention.
La figure 12B compare le rendement des électrodes à base des nano nickel avec le triple effet de (3D ou encore Effet Nano en 3 Dimensions) nano catalyses à des électrodes normales utilisées conjointement à des nano électrodes produisant un taux élevées d'hydrogène. La figure 12C compare les courbes voltampères (à l'aide d'un Voltammogramme) de l'anode (générateur d'oxygène) et de la cathode (générateur d'hydrogène). La différence entre les lignes définies le voltage de la cellule indiqué par une flèche à double tête qui montre 85 % d'efficacité (potentiel 1,743V) qui est le rendement de l'électrolyseur super efficace. Ce résultat correspond à environs une production d'énergie avec un taux de 42 kWh/Kg. La figure 8 illustre le bloc-diagramme électronique de commande et les composants principaux de l'ensemble. Cette carte de commande intelligente à base de microprocesseur, de mémoire et périphériques entrées sorties et contrôle/commandes lui permettent d'assurer les différentes fonctions décrites dans cette invention. Pour des raisons évidentes et simples nous S ne développerons pas les détailles de câblage et inter liaison de cette illustration.
La figure 12D illustre une tracée voltampère (à l'aide d'un Voltammogramme) de la cathode réalisée dans un catalyseur avec la poudre des (nano) nMnOx comparé aux nano cobalt (nCo). La cathode au nCo manifeste un courant d'échange plus important (lo), et par voie de conséquence une plus grande valeur moyenne de Tafel de CCV (Closed Circuit Voltage ou0 encore décharge de Tension à Circuit Fermé). Notons que la cathode au nMnOx montre une pente plate remarquable (plus grande catalyse) et une densité de courant plus importante qui en font une électrode plus puissante.
Il est important de noter que la présente invention est plus clairement mise en évidence par la5 description des modes de réalisation particuliers telle que décrit. Néanmoins, l'objet de l'invention ne se limite pas à ces modes de réalisation décrites car d'autres modes de réalisation de l'invention sont possibles et peuvent facilement être réalisés par extrapolation.

Claims

REVENDICATIONS
1- Un système de production d'énergie composé de chambre d'électrolyse, des électrodes, de l'électrolyte, de commande (s), avec au moins un élément à nano échelles à base des matériaux ou composés de carbone ou encore les tubes à nano échelle, lesdits matériaux comprenant des nano métaux de 1 à 50 nm ou nanotubes de carbone, appelés globalement les nano éléments.
2- Dans un système tel que décrit dans la revendication N" 1, où, à la surface de chaque électrode est déposé un film sensiblement continu de particules nanométriques. 3- Dans un système tel que décrit dans la revendication N° 1, où, la chambre d'électrolyse et/ou les électrodes sont modulables pour permettre un débit variable de (s) gaz.
4- Dans un système tel que décrit dans la revendication N" 1, où, la production sur commande des gaz hydrogène et oxygène sont sous forme de mélanges ou séparés.
5- Dans un système tel que décrit dans la revendication N" 1, où, la chambre ^s) d'électrolyse et/ou les électrodes en nombre fixe (s) ou modulable (s) avec débit fixe ou variable sont gérés par le contrôle de temps d'impulsion (t), du courant (I) et/ou de là fréquence (F) et/ou par activation d'au moins un module.
6- Dans un système tel que décrit dans la revendication N" 1, où, la chambre d'électrolyse est avec débit fixe ou variable et que le système est muni de pile à hydrogène, utilisant les nano éléments.
7- Dans un système tel que décrit dans la revendication N° 1, où, la chambre (s) d'électrolyse est fixe (s) ou modulable (s) avec débit fixe ou variable et est muni de pile à hydrogène et d'une électronique embarqué de contrôle, et/ou de visualisation et/ou d'optimisation et d'interfaces intelligentes. 8- Dans un système tel que décrit dans la revendication N° 1, où, la chambre (s) d'électrolyse est fixe (s) ou modulable (s) avec débit fixe ou variable, et est muni de pile à hydrogène pour une assistance en production d'énergie électrique ou des gaz hydrogène et/ou oxygène en mélange ou séparé.
9- Dans un système tel que décrit dans la revendication N" 1, où, la chambre (s) d'électrolyse est fixe (s) ou modulable (s) avec débit fixe ou variable, et est muni de pile à hydrogène pour une assistance.ou seul pour la production d'électricité permettant une solution nomade.
10- Dans un système de production d'énergie muni d'un étage tampon destiné à réguler la demande en énergie ou en cogénération. Ledit étage est muni des entrées et des sorties de gaz et/ou de commande et/ou de contrôle et qui comprend au moins une pile à combustible et où, se trouvent en circulation, des gaz de type hydrogène et oxygène ou encore hydrogène et air ou encore vapeur d'eau et/ou méthane, et où, l'ajustement du débit de la demande en excès et/ou en manque est régulée par ledit étage tampon ; équipé, avec (ou sans) un composant de stockage de gaz et/ou d'électricité. 11- Dans un système tel que décrit dans la revendication N" 1, où, avec ou sans stockage, le système fournit de l'énergie nomade, assurant une production simultanée aux besoins.
12- Dans un système tel que décrit dans la revendication N° 6, où, avec ou sans stockage, le système est capable de conserver en circuit fermé toute ou partie de l'hydrogène et/ou de l'oxygène produit (s) par une décomposition ou recomposition des molécules H2O en circuit fermé.
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