BE1031542B1 - Unité d'électrolyse à disponibilité et productivité augmentées - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un électrolyseur (10) comprenant : - un stack (12) traversé d’amont en aval par une solution électrolytique alcaline, - une boucle cheminement de premier flux de solution électrolytique, comprenant un premier séparateur gaz-liquide (16a) pour isoler un premier produit d’électrolyse, une première canalisation (14a) reliant la solution à une entrée du premier séparateur, et un premier conduit (18a) reliant une sortie du premier séparateur à la solution électrolytique en aval du stack ; - un cheminement de deuxième flux de solution électrolytique, comprenant un deuxième séparateur gaz-liquide (16b) pour isoler un deuxième produit d’électrolyse du deuxième flux, une deuxième canalisation (14b) reliant la solution au deuxième séparateur, et un deuxième conduit (18a) reliant une sortie du deuxième séparateur à la solution électrolytique en aval du stack ; - au moins un appareil de mesure de concentration en composé alcalin des premier et deuxième flux.
Description
2023/5465 4
BE2023/5465
UNITÉ D’ÉLECTROLYSE À DISPONIBILITÉ ET PRODUCTIVITÉ
AUGMENTÉES
La présente invention se rapporte à la technologie d’électrolyse, notamment pour la production de dinydrogène (H2) et de dioxygène (O2).
Elle concerne plus particulièrement une unité d’électrolyse alcalin à potentiel électrolytique augmenté.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
Une unité d’électrolyse, dite électrolyseur, comporte au moins une cellule comprenant deux électrodes, dont une anode et une cathode, qui baignent dans une solution électrolytique.
L’électrolyse consiste à imposer le passage d’un courant électrique entre ces deux électrodes pour provoquer une rupture de liaisons et la génération de nouveaux produits.
La solution électrolytique est une solution servant de siège à la réaction. Dans le cas d’une électrolyse dite alcaline pour la production de dihydrogène (H2) et de dioxygène (O2), cette solution se présente sous la forme d’une solution aqueuse comprenant de l’eau pure, à savoir déminéralisée, et un additif alcalin hydrosoluble, dit électrolyte. L’hydroxyde de potassium (KOH) ou l’'hydroxyde de sodium (NaOH) est généralement utilisé en qualité électrolyte.
L’eau déminéralisée étant peu conductrice d’électricité, l'emploi de cet électrolyte permet d’aboutir à une conductance admissible moyennant la formation d'ions issus de l’électrolyte qui passent d'une électrode à l'autre pour assurer le passage du courant.
Au passage de ce courant électrique, les molécules d'eau (H2O) se dissocient en ions hydroxyde HO7 et hydrogène H*. Les cations hydrogène (H*) acceptent des électrons à la cathode dans une réaction d'oxydoréduction en formant du dihydrogène (Hz), tandis qu’une oxydation des anions hydroxyde (HO7) se produit à l’anode pour former du dioxygène (O2).
En sortie, sont ainsi récupérés deux mélanges, dont un mélange formé de dioxygène (O2) et de solution électrolytique à l’anode, et un mélange formé de dinydrogène (Hz) et de solution électrolytique à la cathode. De manière connue, ces mélanges sont chacun acheminés vers un séparateur gaz-liquide pour isoler le dioxygène (O2) et le dinydrogène (Hz).
La solution électrolytique résiduelle des deux mélanges, désignée par «lye », est alors réinjectée dans la solution électrolytique dans laquelle baignent les deux électrodes, sous la forme d’un circuit fermé.
En fonctionnement, il peut être observé une diminution du rendement de l’électrolyseur. Une telle diminution peut avoir pour origine des causes diverses, dont notamment un abaissement inopiné de la concentration de
KOH dans le lye réinjecté dans la solution électrolytique. En effet, une telle diminution de la teneur en KOH dans le lye implique directement une conséquence négative sur la conductance de la solution électrolytique, entendu que la concentration d’ions hydroxyde (OH-) et potassium (K+) susceptibles de passer d'une électrode à l'autre diminue, et réduit ainsi le potentiel de réaction.
Le rendement aura tendance à chuter progressivement par amplification de la diminution en teneur de KOH, le lye étant au fur et à mesure généré sur la base d’une solution électrolytique dont la teneur en
KOH s'amoindrie. La diminution en concentration de KOH dans le lye s’explique notamment par la formation spontanée d’une croute de KOH sur l'extérieur des tuyaux renfermant le lye.
Dès lors qu’une perte en rendement est constatée, il est requis généralement d’opérer un diagnostic des paramètres de l’électrolyseur au plus vite pour identifier et corriger l’origine du problème. Ce diagnostic comprend une étape de prélèvement de lye et d’appréciation en laboratoire de sa concentration en KOH.
En pratique, il est imposé de placer l’électrolyseur à l’arrêt pour assurer un prélèvement sécuritaire de lye par un opérateur. En effet, il s'agit de dépressuriser le système, moyennant un arrêt des pompes, et de le refroidir sans quoi les constituants internes de l’électrolyseur ne sont pas accessibles en toute sécurité.
Durant cet arrêt temporaire, en plus de toutes les contraintes de manutention que cela exige, la production des divers constituants (dinydrogène et dioxygène) issus de l’électrolyseur est mise en pause. Cela constitue donc une perte sèche de production.
L’invention a pour but de proposer une solution permettant d’éviter au moins en partie les inconvénients identifiés ci-dessus.
À cet effet, l'invention a pour objet un électrolyseur comprenant : - un stack traversé d’amont en aval par une solution électrolytique de composé alcalin et comprenant au moins une cellule électrolytique baignant dans cette solution électrolytique, - une boucle de cheminement de premier flux de solution électrolytique, comprenant un premier séparateur gaz-liquide adapté pour isoler un premier produit d’électrolyse du premier flux, une première canalisation de prélèvement de solution électrolytique en aval du stack qui est reliée à une entrée du premier séparateur gaz-liquide, et un premier conduit qui relie une sortie du premier séparateur gaz-liquide directement ou indirectement à la solution électrolytique en amont du stack ; - une boucle de cheminement de deuxième flux de solution électrolytique, comprenant un deuxième séparateur gaz-liquide adapté pour isoler un deuxième produit d’électrolyse du deuxième flux, une deuxième canalisation de prélèvement de solution électrolytique en aval du stack qui est reliée à une entrée du deuxième séparateur gaz-liquide, et un deuxième conduit qui relie une sortie du deuxième séparateur gaz-liquide directement ou indirectement à la solution électrolytique en amont du stack ; — l’électrolyseur comprenant en outre au moins un appareil de mesure de concentration en composé alcalin des premier et deuxième flux.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel le premier conduit et le deuxième conduit sont reliés à une chambre de mélange en sortie des séparateurs, cette chambre de mélange étant équipée dudit au moins un appareil de mesure de concentration.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel le premier conduit et le deuxième conduit sont isolés l’un de l’autre et équipés chacun d'au moins un appareil de mesure de concentration.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, comprenant un réservoir de composé alcalin concentré et une unité de commande d'injection depuis le réservoir d’une quantité de composé alcalin concentré dans les premier et deuxième flux.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel le composé alcalin de la solution électrolytique est de l’'hydroxyde de potassium.
L’invention concerne également un procédé de suivi et de correction d’une concentration en composé alcalin dans un électrolyseur ainsi défini, comprenant les étapes de : a) acquisition et transfert à l’unité de commande par ledit au moins un appareil de mesure de valeurs de concentration en composé alcalin dans les deux flux ; b) envoi d’une consigne par l'unité de commande en cas de valeur de concentration en composé alcalin délivrée par appareil de mesure qui est inférieure à une valeur de concentration cible, pour enrichir au moins l’un parmi le premier et le deuxième flux d’une quantité corrective de composé alcalin concentré à partir du réservoir de composé alcalin concentré.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini dans lequel l'étape b) comprend en outre l’envoi d’une consigne par l'unité de commande pour commander l’injection d’une quantité d’eau déminéralisée dans la solution électrolytique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
— [Fig.1] est un schéma de principe d’un premier mode de réalisation de l’électrolyseur selon l'invention. — [Fig.2] est un schéma de principe d’un second mode de réalisation de l’électrolyseur selon l'invention. 5
En référence aux figures 1 et 2, une unité d'électrolyse 10, ou électrolyseur, selon l'invention comprend un stack 12 traversé d’amont AM en aval AV par une solution électrolytique. Ce stack 12, formant le noyau de l’électrolyseur 10, comporte une multitude de cellules électrolytiques empilées comprenant chacune deux électrodes plongées dans la solution électrolytique. Les électrodes de chaque cellule du stack 12, dont une cathode et une anode, sont séparées l’une de l’autre par une membrane, ou séparateur.
Dans la suite, l’électrolyseur 10 selon l'invention va être décrit dans le cadre d’une application d’électrolyse dite alcaline pour la production de dinydrogène (Ha) et de dioxygène (O2). La solution électrolytique correspond à une solution alcaline aqueuse comprenant de l’eau déminéralisée (H20) ainsi que de l’'hydroxyde de potassium (KOH) en concentration prédéfinie, de manière non limitative de l’ordre de 30% en volume.
L’électrolyseur 10 comporte une première et une deuxième canalisation 14a, 14b prévues pour recueillir en aval AV du stack 12 l’électrolyse les produits de réaction d’électrolyse et les véhiculer respectivement vers un premier et un deuxième séparateur gaz-liquide 16a, 16b.
La première canalisation 14a s’achemine vers le premier séparateur gaz-liquide 16a un premier flux Fa de solution électrolytique enrichie en dinydrogène (Hz) après réaction au niveau des cellules électrolytiques. Plus en détail, ce dinydrogène (Hz) est issu en cascade de la dissociation de l’eau (HO) en cations d'hydrogène (H*) au passage d’un courant électrique, suivie d’une réaction d'oxydoréduction de ces ions avec la cathode. En sortie du premier séparateur gaz-liquide 16a, le dinydrogène (Hz) est isolé tandis que la solution électrolytique résiduelle, dite lye, du premier flux Fa est acheminée le long d’un conduit 18a par pompage pour réintégrer l'écoulement de solution électrolytique en amont AM du stack 12.
La deuxième canalisation 14b s’ achemine vers le deuxième séparateur gaz-liquide 16b un deuxième flux de solution électrolytique enrichie en dioxygène (O2) après réaction au niveau des cellules électrolytiques. Le dioxygène (O2) est le produit de la dissociation de l’eau (H2O) en ions hydroxyde (HO7) et d’une oxydation de ces ions à l’anode. De la même manière que pour le premier séparateur gaz-liquide 16a, le deuxième séparateur 16b permet d'isoler le dioxygène (O2) tandis que le lye du deuxième flux Fb est guidé par pompage le long d’un conduit 18b pour réintégrer l'écoulement de solution électrolytique en amont (AM) du stack 12
Comme il est compris, après isolation des produits, les flux Fa et Fb reforment continument la solution électrolytique avant son passage au niveau des cellules électrolytiques du stack 12 où s’effectue la réaction, sous la forme de boucles de cheminement.
Le rendement chimique de cette réaction pour former le dihydrogène (Hz) et le dioxygène (O2), à savoir son efficacité, est fonction du passage du courant qui permet de dissocier les modules d’eau (H20) en ions hydroxyde (HOT) et hydrogène (H*). Le passage du courant, résultant de la migration des ions hydroxyde (OH-) et potassium (K+) issu du KOH, dépend directement de la concentration en KOH dans la solution électrolytique.
Toute diminution en teneur de KOH dans la solution électrolytique conduit ainsi à une diminution de la productivité de l’électrolyseur.
En pratique, le confinement du KOH est particulièrement difficile, celui- ci ayant une tendance naturelle à s'échapper du circuit au niveau des joints de raccordement, notamment le long des boucles de cheminement des flux
Fa et Fb. Afin d'évaluer la potentielle diminution de concentration de KOH dans le lye, l’idée à la base de l'invention est de permettre un contrôle in situ.
A cet égard, il est préconisé d’instrumenter l’électrolyseur 10 de manière à pouvoir évaluer en temps réel la concentration en KOH. Une telle appréciation de la concentration en KOH en fonctionnement réel et continu de l’électrolyseur 10, permet de s'affranchir d’une étape de prélèvement de lye imposant une mise à l’arrêt pour le refroidir et le dépressuriser.
Comme il est compris, le suivi de la concentration en KOH dans le lye est permis sans nécessiter d’interruption de production de dihydrogène (Hz) et, par voie de conséquence, une perte sèche. II s'ensuit une disponibilité accrue de l’électrolyseur 10 selon l'invention.
La figure 1 illustre une première variante d’arrangement de l’électrolyseur 10 dans lequel le lye issue du premier flux Fa et le lye issu du deuxième flux Fb sont acheminés dans une chambre de mélange 19 par les conduits 18a et 18b pour être réunis avant d’être réinjectés dans la solution électrolytique. En pareil cas, un densimètre 20 est judicieusement disposé au niveau de la chambre de mélange 19 pour évaluer la valeur moyennée de concentration en KOH dans le mélange de lye. A noter que le densimètre 20 n’est pas limité à cet agencement particulier. II peut être disposé notamment le long de la canalisation, notée 22, qui véhicule le mélange vers le stack 12 en sortie de chambre de mélange 19.
La figure 2 illustre une seconde variante d'arrangement de l’électrolyseur 10 dans lequel les conduits 18a et 18b acheminent chacun de manière isolée le lye après captation des produits d’électrolyse au niveau des séparateurs gaz-liquide 16a, 16b pour reformer la solution électrolytique traversant le stack 12 . Selon cette architecture, la solution électrolytique est scindée en deux composantes, chacune traversant d’amont AM en aval AV le stack 12 en étant séparée l’une de l’autre par la membrane agencée entre la cathode et l’anode des cellules électrolytiques. Il est retenu suivant cette architecture d'utiliser deux densimètres 20a, 20b, chacun étant disposé sur une conduite 18a, 18b respective pour mesurer la concentration en KOH du lye correspondant.
Il est à noter que l'invention n’est pas limitée aux exemples des figures 1 et 2. En particulier, plusieurs densimètres peuvent être utilisés à des fins de redondance pour l’appréciation en teneur en KOH du lye. Il est compris que plusieurs densimètres peuvent être utilisés pour apprécier la concentration en KOH du mélange des deux composantes de lye en sortie des séparateurs gaz-liquide 16a, 16b comme dans l’exemple de la figure 1, ou de chaque composante de lye de manière isolée comme dans la figure 2.
Complémentairement au suivi de la concentration en KOH dans le lye, l'emploi de densimètre(s) in situ selon l'invention permet d'agir en temps réel pour maintenir la concentration de KOH constante tout au long du processus de fonctionnement de l’électrolyseur 10. Avec cette solution, la production de dinydrogène (Ha) et de dioxygène (O2) ne souffre pas d'arrêt intempestif, et tend également à être maximisée.
A cette fin, l’électrolyseur 10 selon l'invention comporte une boucle de correction 24, comportant une unité de commande 26 et un réservoir contenant du KOH concentré 28.
L’unité de commande 26 communique en temps réel avec le ou les densimêtre(s) 20, 20a, 20b qui lui transmettent leurs résultats d'acquisition.
En cas de diminution en concentration en KOH mise en évidence dans le lye, l'unité de commande 26 est adaptée pour envoyer de façon automatique une consigne de contre-mesure au réservoir 28 pour injecter dans le lye une quantité corrective de KOH concentré.
En pratique, il est judicieux d’utiliser de l’eau déminéralisée (H20) pour véhiculer le KOH depuis le réservoir 28 vers le lye, que de l'intégrer dans le lye directement sous forme solide. Ceci permet d'affiner la quantité de KOH introduite. À cet égard, il est avantageusement retenu, mais de manière non limitative, que l’unité de commande 26 pilote l’actionnement d’une pompe qui achemine le KOH concentré dans le lye.
Dans l’exemple des figures 1 et 2, le réservoir 28 est raccordé aux canalisations 14a et 14b pour enrichir les flux Fa et Fb au juste besoin en quantité de KOH concentré. À noter qu’une injection de KOH concentré directement au niveau des séparateurs gaz-liquide 16a et 16b ou dans les conduits 18a et 18b, en sortie de séparateurs gaz liquide 16a et 16b, peut également être retenue.
Si la concentration nominale de KOH présente une quelconque perte, l’électrolyseur 10 selon l'invention permet ainsi à la fois d'identifier par capteur et d'intervenir par boucle de correction 24 directement sur cette dernière pour réguler la concentration. Réinjecter au juste besoin du KOH concentré dans le lye permet au global de satisfaire à la concentration cible en KOH de la solution électrolytique, fixée de manière non limitative à 30%. II est compris que pour une concentration cible en KOH fixée à 30% dans la solution électrolytique, le KOH issu de la boucle de correction 24 est de concentration supérieure pour permettre de compenser la chute globale de concentration en KOH
L’électrolyseur 10 selon l'invention présente ainsi une disponibilité et une productivité accrue, entendu qu’il n’est pas nécessaire de le placer à l’arrêt pour diagnostiquer la concentration en KOH via des prélèvements de lye et qu’il assure passivement un maintien en concentration optimale en
KOH de la solution électrolytique durant sa vie en fonctionnement. Aussi, il est à noter que le suivi continu de la concentration en KOH dans le lye par _ densimètre permet d’être alerté de toute fuite significative de KOH pouvant être lié à un défaut d’intégrité de l’électrolyseur 10, à la différence des pertes passives mineures liées au niveau des joints de raccordement. Comme il est compris, instrumentation par densimètre de l’électrolyseur 10 selon l'invention permet de gagner en réactivité pour intervenir en maintenance, par rapport au cas où la mesure de concentration en KOH s'effectue par prélèvements périodiques dans le lye.
L’électrolyseur 10 a été décrit pour une application d’électrolyse alcaline faisant intervenir une solution électrolytique de composé d’hydroxyde de potassium (KOH). Il est à noter que l'invention n’est pas limitée à cette composition particulière. Elle trouve application pour tout type d’électrolyte alcalin, par exemple l’'hydroxyde de sodium (NaOH), dès lors qu’un risque de perte en concentration inopinée existe.
Enfin, dans le cadre de l'invention, on entend par densimètre tout instrument permettant d’évaluer la concentration. Comme il est compris, le densimètre selon l’invention se rapporte à tout appareil pouvant être considéré par un homme du métier comme adapté pour renseigner une concentration en électrolyte. A titre d'exemples non limitatifs, le densimètre peut être : - un instrument électronique qui se base sur une fréquence d'oscillation pour évaluer la concentration en électrolyte ; - Un instrument optique qui se base sur la transmittance d’un rayonnement dans le lye pour évaluer la concentration en électrolyte ; - un instrument à micro-onde, qui se base sur la variation de l’atténuation et du déphasage d’un signal traversant le lye pour aboutir à la concentration en électrolyte ; - un instrument basé sur une mesure de PH.
Claims (7)
1. Electrolyseur (10) comprenant : - un stack (12) traversé d’amont (AM) en aval (AV) par une solution électrolytique de composé alcalin et comportant au moins une cellule électrolytique baignant dans cette solution électrolytique, - une boucle de cheminement de premier flux (Fa) de solution électrolytique, comprenant un premier séparateur gaz-liquide (16a) adapté pour isoler un premier produit d’électrolyse du premier flux (Fa), une première canalisation (14a) de prélèvement de solution électrolytique en aval (AV) du stack (12) qui est reliée à une entrée du premier séparateur gaz-liquide (16a), et un premier conduit (18a) qui relie une sortie du premier séparateur gaz-liquide (16a) directement ou indirectement à la solution électrolytique en amont (AM) du stack (12) ; - une boucle de cheminement de deuxième flux (Fb) de solution électrolytique, comprenant un deuxième séparateur gaz-liquide (16b) adapté pour isoler un deuxième produit d’électrolyse du deuxième flux (Fb), une deuxième canalisation (14b) de prélèvement de solution électrolytique en aval (AV) du stack (12) qui est reliée à une entrée du deuxième séparateur gaz-liquide (16b), et un deuxième conduit (18b) qui relie une sortie du deuxième séparateur gaz-liquide (16b) directement ou indirectement à la solution électrolytique en amont (AM) du stack (12) ; l’électrolyseur (10) comprenant en outre au moins un appareil de mesure (20, 20a, 20b) de concentration en composé alcalin des premier et deuxième flux (Fa, Fb).
2. Electrolyseur (10) selon la revendication 1, dans lequel le premier conduit (18a) et le deuxième conduit (18b) sont reliés à une chambre de mélange (19) en sortie des séparateurs gaz-liquide (16a, 16b), cette chambre de mélange (19) étant équipée dudit au moins un appareil (20) de mesure de concentration.
3. Electrolyseur (10) selon la revendication 1, dans lequel le premier conduit (18a) et le deuxième conduit (18b) sont isolés l’un de l’autre et équipés chacun d’au moins un appareil (20a ; 20b) de mesure de concentration.
4. Electrolyseur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un réservoir de composé alcalin concentré (28) et une unité de commande (26) d'injection depuis le réservoir (28) d’une quantité de composé alcalin concentré dans les premier et deuxième flux (Fa, Fb).
5. Electrolyseur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composé alcalin de la solution électrolytique est de l'hydroxyde de potassium (KOH).
6. Procédé de suivi et de correction d’une concentration en composé alcalin dans un électrolyseur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes de : a) acquisition et transfert à l’unité de commande (26) par ledit au moins un appareil (20, 20a, 20b) de mesure de concentration en composé alcalin dans les deux flux (Fa, Fb) ; b) envoi d’une consigne par l’unité de commande (26) en cas de valeur de concentration en composé alcalin délivrée par l’appareil (20, 20a, 20b) qui est inférieure à une valeur de concentration cible, pour enrichir au moins l’un parmi le premier et le deuxième flux (Fa, Fb) d’une quantité corrective de composé alcalin concentré à partir du réservoir de composé alcalin concentré (28).
7. Procédé de suivi et de correction selon la revendication 6, dans lequel l'étape b) comprend en outre l’envoi d’une consigne par l’unité de commande (26) pour commander l’injection d’une quantité d’eau déminéralisée (H:O) dans la solution électrolytique.
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|---|---|---|---|
| BE202305314 | 2023-04-21 |
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|---|---|---|---|
| BE20235465A BE1031542B1 (fr) | 2023-04-21 | 2023-06-06 | Unité d'électrolyse à disponibilité et productivité augmentées |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| EP4036275A1 (fr) * | 2021-01-28 | 2022-08-03 | Hitachi Zosen Inova AG | Procédé de fonctionnement d'un système d'électrolyseur et système d'électrolyseur |
| US11479868B2 (en) * | 2017-09-07 | 2022-10-25 | De Nora Permelec Ltd | Electrolytic device |
| WO2023276461A1 (fr) * | 2021-06-30 | 2023-01-05 | 三菱パワー株式会社 | Dispositif électrolytique |
-
2023
- 2023-06-06 BE BE20235465A patent/BE1031542B1/fr active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DATABASE WPI Week 2023010, Derwent World Patents Index; AN 2023-043138 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BE1031542A1 (fr) | 2024-11-19 |
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