BE1031991B1

BE1031991B1 - Système et procédé de régulation des séparateurs gaz-liquide d’un électrolyseur

Info

Publication number: BE1031991B1
Application number: BE20235772A
Authority: BE
Inventors: Hamed Abedini
Original assignee: John Cockerill Hydrogen Belgium
Priority date: 2023-09-19
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2025-04-14
Also published as: BE1031991A1; WO2025061814A1

Abstract

L’invention propose un système et un procédé de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) d’un électrolyseur comprenant une pile (10), des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique séparant l’électrolyte et le gaz le long d’un niveau de lessive (lan,lca), le gaz de dioxygène et de dihydrogène s’écoulant de leur chambre respective à travers une vanne de commande de gaz (Van, Vca), caractérisée en ce que la régulation utilise des données de commande représentatives de la pression de gaz anodique (pan) ; la pression de gaz cathodique (pan) ; le niveau de lessive anodique (Ian) ; le niveau de lessive cathodique (Ica) ; pour commander chacune des deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) et chacun desdits capteurs permettant d’envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) pour réguler les pressions de gaz (pan,pca) et les niveaux de lessive (lan,lca) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) et le séparateur gaz-liquide cathodique, (GLSca).

Description

Titre de l’invention : Système et procédé de régulation des séparateurs gaz-liquide d’un électrolyseur

[0001] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0002] La présente invention concerne un système de commande ou de surveillance permettant de réguler le fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline.

[0003] ARRIERE-PLAN TECHNIQUE

[0004] La présente invention concerne un système de commande ou de surveillance permettant de réguler le fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline.

[0005] Selon un procédé d'électrolyse électrochimique bien connu de la technique antérieure, l’eau est amenée dans la cuve ou pile d’électrolyseur 10 d’un appareil d'électrolyse en présence d’une solution électrolytique (généralement KOH ou

NaOH) par une entrée spécifique, cette association eau-électrolyte étant communément appelée « lessive ».

[0006] Ladite pile 10 est constituée d’un ensemble de cellules électrolytiques de sorte que le mélange défini ci-dessus traverse ces cellules.

[0007] Comme on peut le voir sur les figures 1 ou 2 annexées, après ce passage combiné au croisement d’un courant électrique à travers lesdites cellules électrolytiques, l’eau est décomposée en molécules gazeuses de dihydrogène Hz au niveau de la cathode, et en dioxygène O2 au niveau de l’anode.

[0008] Un diaphragme sépare l’anode de la cathode de sorte que, dans des conditions normales, les molécules de dioxygène O2 et de dihydrogène Hz ne peuvent pas être mélangées.

[0009] À l’opposé de ces cellules électrolytiques apparaît une double sortie : 1) la première est dédiée aux molécules de dihydrogène en présence du flux de lessive ; et 2) la seconde sortie a les mêmes caractéristiques, mais elle est dédiée aux molécules de dioxygène toujours en présence dudit flux de lessive.

[0010] Ensuite, la séparation gaz-liquide est définie comme une étape majeure dans le procédé d’électrolyse de l’eau alcaline.

[0011] Pour réaliser ladite séparation gaz-liquide, chaque sortie de la pile d'électrolyseur 10 est directement connectée à un séparateur gaz-liquide de sorte que ce mélange est introduit instantanément dans ledit séparateur gaz- liquide approprié, et plus particulièrement à la hauteur de la partie inférieure de la face latérale située en amont dudit séparateur gaz-liquide.

[0012] Ainsi, le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca est réservé à la séparation du flux de mélange cathodique de Hz-lessive, tandis que le séparateur gaz- liquide anodique GLSan est destiné à la séparation du flux de mélange cathodique de O2-lessive.

[0013] Dans toute l’installation de l’électrolyseur, chacun des séparateurs gaz-liquide

GLSca, GLSan a deux sorties : la première d'entre elles pour le gaz séparé tandis que la seconde est liée à la phase liquide résiduelle.

[0014] Ainsi, dans cette configuration, les bulles de gaz sont évacuées à travers un orifice situé sur la paroi supérieure de chacun desdits séparateurs gaz-liquide, tandis que le liquide s'écoule à travers un orifice situé sur la paroi inférieure de ce même séparateur gaz-liquide.

[0015] Les deux orifices apparaissent en face de l’orifice d'entrée, par lequel le mélange gaz-lessive est introduit.

[0016] Pour assurer une pression différentielle de gaz faible de part et d'autre (anodique et cathodique) du diaphragme de la pile d’électrolyseur 10, il est préférable d’équilibrer les deux séparateurs gaz-liquide, à la fois leurs pressions de phase gazeuse pca et Pan et leurs niveaux de phase de lessive liquide I, et lea-

[0017] Afin d’équilibrer les deux séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca, une ligne d’équilibrage 16 est installée entre les séparateurs gaz-liquide Hz (cathodique) et

Oz (anodique) selon une configuration en « U » située sous ceux-ci.

[0018] De manière non limitative, sur chacun des côtés anodique et cathodique, la boucle de circulation de fluide de la lessive à travers la pile 10 et le séparateur gaz-liquide correspondant comprend une pompe associée 14an, 14ca ; et le système d’électrolyse comprend également un mélangeur 12 alimenté en lessive par ces deux pompes.

[0019] Comme illustré à la figure 1, la première partie d’un système de commande usuel 101 peut alors commander une vanne de commande de gaz V,, du séparateur gaz-liquide anodique GLSan pour atteindre la pression de gaz souhaitée au niveau du séparateur anodique, grâce à la vanne de commande de gaz sur le flux de gaz O2.

[0020] La seconde partie du système de commande 101 ajuste également le débit de gaz d'échappement du séparateur gaz-liquide cathodique GLSca grâce à la commande d'une vanne de commande de gaz V., sur le flux de gaz Hz pour atteindre le même niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique

GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca.

[0021] Comme illustré sur la figure 2 annexée, un autre système de commande 102 usuel est constitué d’une même logique de commande de pression de gaz du côté anodique et du côté cathodique.

[0022] Ainsi, pour le côté cathodique, la vanne de commande de gaz V., est utilisée pour atteindre les mêmes pressions de gaz anodique et cathodique pan£t Pa dans les séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca.

[0023] En effet, le niveau de lessive est autorégulé entre les deux séparateurs gaz- liquide GLSan et GLSca à travers la ligne d’équilibrage 16.

[0024] Ce système de commande 101 est alors approprié pour une configuration de flux de lessive mixte, où les propriétés de la lessive dans le séparateur gaz- liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca sont les mêmes.

[0025] Toutefois, pour une configuration non représentée de flux non-mixte, la concentration en KOH NAOH peut être différente du côté anodique et du côté cathodique.

[0026] Ceci conduit à une différence entre les densités de lessive du côté anodique et du côté cathodique.

[0027] Ainsi, l’équilibrage des niveaux de lessive In et lane conduit pas nécessairement à une hauteur de charge égalisée entre le côté anodique et le côté cathodique.

[0028] Ceci peut être très critique, notamment pendant les fonctionnements transitoires et le système de commande usuel 101 de la figure 1 peut provoquer des pressions de gaz différentes au niveau de l’anode et de la cathode, ce qui peut endommager le diaphragme d’électrolyseur.

[0029] Le système selon l'invention tel qu’illustré à la figure 3 est identique à celui illustré aux figures 1 ou 2, sauf en ce qui concerne son système de commande 103 proposé qui régule les pressions de gaz pa et Pan, tout en gardant la différence entre les niveaux de lessive /,n et l., dans une certaine limite.

[0030] II est possible de réguler la pression de gaz p,,dans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan et la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide cathodique

GLSca à l’aide du système de commande 102 de la figure 2, mais cela peut conduire à une différence importante des niveaux de lessive /,, et l., dans ces séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca, ce qui provoque l’arrêt immédiat du processus d’électrolyse.

[0031] Dans les électrolyseurs alcalins industriels actuels, le système de commande des séparateurs gaz-liquide est basé sur le maintien des niveaux de lessive identiques dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique à tout moment, étant donné que la pression de gaz est identique dans les deux séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca alors que la densité de lessive pourrait être différente du côté anodique et cathodique.

[0032] Toutefois, pendant les conditions transitoires, il existe une possibilité d’avoir des pressions de gaz différentes p.a et Pan dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique GLSan et GLSca.

[0033] Cela pourrait conduire à une différence de pression de gaz remarquable sur les côtés cathodique et anodique de la cellule d’électrolyse, ce qui endommagerait le(s) diaphragme(s) et autres parties de la pile d’électrolyseur 10.

[0034] En revanche, la régulation réelle par le système des pressions de gaz anodique et cathodique p.a et PanPar des vannes de commande de gaz anodique et cathodique V,, et V., peut conduire à une différence importante lan — l-aentre les niveaux de lessive Ian Et la de ces séparateurs gaz-liquide, ce qui provoque 5 l’arrêt immédiat du processus d'électrolyse, notamment dans le cas des flux de lessive non mélangés où les propriétés de la lessive dans le séparateur gaz- liquide anodique et de la lessive dans le séparateur gaz-liquide cathodique sont différentes

[0035] L'objet de l'invention est de proposer un système et un procédé remédiant aux inconvénients de la technique antérieure.

[0036] RESUME DE L'INVENTION

[0037] L’invention propose un système de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline, l'appareil comprenant : - une cuve d’électrolyse comprenant : - une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ; - une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ; -une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ; - un séparateur gaz-liquide anodique étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique, le gaz de dioxygène s'écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique ; - un séparateur gaz-liquide cathodique étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique, le gaz de dihydrogène s’écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dihydrogène cathodique, ledit système de commande comprenant : -- au moins un capteur de pression de gaz anodique ;

-- au moins un capteur de pression de gaz cathodique ; -- au moins un capteur de niveau de lessive anodique ; -- au moins un capteur de niveau de lessive cathodique ; -- et un dispositif de commande logique programmable ou un ordinateur, qui est connecté à chacune des deux dites vannes de commande de gaz et à chacun des quatre dits capteurs pour envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz pour réguler les pressions de gaz et les niveaux de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique et le séparateur gaz-liquide cathodique.

[0038] Selon d'autres caractéristiques du système selon l'invention : -le fonctionnement des deux vannes de commande de gaz est basé sur un système de commande basé sur un modèle ; -le système régule les pressions de gaz dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ; -le système régule les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ; - dans ce système : - 1) la valeur de la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ; - il) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide cathodique est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique ; ill) le niveau de lessive anodique est mesuré en continu afin de vérifier s'il reste dans une plage sûre ;

iv) le niveau de lessive cathodique est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique ; v) la vanne de commande de gaz de dioxygène est actionnée ; vi)la vanne de commande de gaz de dinydrogène est actionnée ;

- si la valeur mesurée de la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de retenue de gaz d’échappement anodique et à la vanne de retenue de gaz d’échappement cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;

- si la valeur mesurée de la pression de gaz de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide cathodique est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique et à la vanne de commande de gaz cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;

- si la valeur mesurée du niveau de lessive anodique n’est pas dans la plage sûre, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique et à la vanne de commande de gaz cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;

- si la valeur mesurée du niveau de lessive cathodique est différente de ladite valeur fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique et à la vanne de commande de gaz cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;

- dans le mode de fonctionnement nominal de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique est plus ou moins constante, et dans lequel,

dans un mode de fonctionnement transitoire de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dioxygène et la pression de lessive anodique ;

- dans le mode de fonctionnement nominal de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique est plus ou moins constante, et dans lequel,

dans un mode de fonctionnement transitoire de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dihydrogène et la pression de lessive cathodique.

[0039] L'invention propose également un procédé de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline, l'appareil comprenant : - une cuve d’électrolyse comprenant : - une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ; - une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ; -une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ; - un séparateur gaz-liquide anodique étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique, le gaz de dioxygène s'écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique ; - un séparateur gaz-liquide cathodique étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique, le gaz de dihydrogène s’écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dihydrogène cathodique, caractérisé en ce qu'il utilise des données de commande représentant : -- la pression de gaz anodique ; -- la pression de gaz cathodique ; -- le niveau de lessive anodique ; -- le niveau de lessive cathodique ; pour commander chacune des deux dites vannes de commande de gaz et chacun des quatre dits capteurs pour envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz permettant de réguler les pressions de gaz et les niveaux de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique et le séparateur gaz-liquide cathodique.

[0040] Selon d’autres caractéristiques du procédé : - la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les pressions de gaz dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s'assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ; - la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s'assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ; - dans le procédé : -- |) la valeur de la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ; -- ij) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène dans le séparateur gaz- liquide cathodique est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique ; -- lil) le niveau de lessive anodique est mesuré en continu afin de vérifier qu’il reste dans une plage sûre ; -- iv) le niveau de lessive cathodique est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique ; -- V) la vanne de commande de gaz de dioxygène est actionnée ; -- Vi) la vanne de commande de gaz de dihydrogène est actionnée.

[0041] BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0042] [Fig.1] — la figure 1 est une représentation schématique et partielle d’un premier exemple de système d’électrolyse avec un système de commande selon la technique antérieure pour la régulation des séparateurs gaz-liquide ;

[0043] [Fig.2] — la figure 2 est une représentation schématique et partielle d’un second exemple de système d'électrolyse avec un système de commande selon la technique antérieure pour la régulation des séparateurs gaz-liquide ;

[0044] [Fig.3] — la figure 3 est une représentation schématique et partielle d’un exemple de système d'électrolyse avec un système de commande selon l'invention pour la régulation des séparateurs gaz-liquide ;

[0045] [Fig.4] — la figure 4 est une représentation d’un modèle utilisé pour la régulation des séparateurs gaz-liquide.

[0046] DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

[0047] Dans la description suivante, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes références.

[0048] Selon l'invention décrite ci-dessous, la régulation des séparateurs gaz-liquide

GLSan et GLSca repose sur un nouveau système de commande basé sur un modèle 103 qui permet de commander correctement les vannes de commande de gaz V,, et V.. des côtés anodique et cathodique pour atteindre les mêmes pressions de gaz au niveau de l’anode et de la cathode, tout en gardant la différence lun — l.aentre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide dans une certaine limite, les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique

GLSan et GLSca, c’est-à-dire en s'assurant que la différence lun — l-aentre les niveaux de lessive 1, et L.,dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une certaine limite ou valeur seuil.

[0049] L'invention permet au système de fonctionner de manière sûre lors de tous les opérations, en évitant les dommages sur la pile d’électrolyseur 10 en raison de la différence des pressions de gaz Pan — Pca@Ntre le côté anodique et le côté cathodique, tout en évitant l’arrêt du processus d’électrolyse en raison d’une différence trop importante lun — L-aentre les niveaux de lessive.

[0050] Ce système de commande peut être mis en œuvre sur des configurations de flux mixte et non mixte, c’est-à-dire avec ou sans mélangeur 12.

[0051] Dans un mode de réalisation préférable, la mise en œuvre de la solution est basée sur une boucle de commande qui interagit avec six composants ou constituants spécifiques :

- 1) au moins un capteur de pression de gaz anodique (p_an) ; - ij) au Moins un capteur de pression de gaz cathodique (p_ca) ; - ii) au moins un capteur de niveau de lessive anodique (l_an) ; - iv) au moins un capteur de niveau de lessive cathodique (l_ca) ; -V) au moins une vanne de commande de gaz anodique (V_an) ; - Vi) au moins une vanne de commande de gaz cathodique (V_ca).

[0052] Cette boucle de commande est entièrement automatisée, ce qui signifie que l'intervention humaine au niveau du système d’électrolyseur n’est plus nécessaire, ce qui élimine par conséquent un danger potentiel lié à ladite intervention humaine. Les vannes de commande de gaz V,, et V., pourraient être remplacées par des vannes de contre-pression, des vannes d'arrêt ou d'autres types de vannes.

[0053] Comme le montre la figure 3, l'agencement desdits composants est le suivant : - le capteur de pression de gaz anodique fournissant une valeur représentative de pression de gaz correspondante pan et le capteur de niveau de lessive anodique fournissant une valeur représentative de niveau correspondante an sont situés dans le séparateur gaz-liquide O2 GLSan, alors que le capteur de pression de gaz cathodique et le capteur de niveau de lessive cathodique sont situés dans le séparateur gaz-liquide Hz GLSca. Les vannes de commande de gaz anodique V,, et cathodique V., sont en aval des séparateurs gaz-liquide dans le système de flux de gaz.

[0054] Le principe de fonctionnement est basé sur un système de commande basé sur un modèle qui permet de commander correctement et automatiquement les vannes de commande de gaz en boucle fermée grâce à un dispositif de commande logique programmable (PLC), de sorte que le PLC est connecté en permanence aux six composants définis ci-dessus (deux capteurs de pression de gaz, deux capteurs de niveau de lessive et deux vannes de commande de gaz), tout en étant géré et commandé par une intervention humaine distante dudit système d’électrolyseur, si nécessaire.

[0055] Dans des conditions nominales de fonctionnement, le système de commande manipule la vanne de commande de gaz du séparateur gaz-liquide anodique pour atteindre la pression de gaz souhaitée dans le séparateur gaz-liquide anodique, tout en manipulant la vanne de commande de gaz cathodique pour atteindre le même niveau de lessive dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique.

[0056] Toutefois, lors de fonctionnements transitoires (changement rapide de la densité du courant électrique et donc de la production de dihydrogène Hz et de dioxygène O- et des débits de lessive), et/ou avec une configuration de flux de lessive non mélangée (les flux anodique et cathodique sont distincts), ce système de commande classique peut induire une pression de gaz différente au niveau des flux anodique et cathodique, ce qui peut endommager le diaphragme ou d’autres parties de la pile d’électrolyseur 10.

[0057] Le système de commande proposé basé sur un modèle régule les pressions de gaz dans les séparateurs anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence lun — l.aentre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une certaine limite, évitant ainsi un arrêt du système.

[0058] Ledit système de commande basé sur un modèle d’un électrolyseur alcalin permet d’assurer un fonctionnement sûr dans des conditions transitoires.

[0059] En pratique, notamment lors de fonctionnements transitoires du système d’électrolyseur, un changement brutal de courant électrique (ou de la densité de courant électrique) va induire une adaptation des débits de lessive cathodique Hz et anodique Oz, tandis que la production de bulles de dihydrogène Hz et de dioxygène O2 changera en conséquence.

[0060] Ainsi, des pressions de gaz sur les séparateurs gaz-liquide cathodique et anodique vont varier, à priori, de différentes manières, ainsi que les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide cathodique et anodique.

[0061] Ensuite, le système de commande basé sur un modèle ajustera entre-temps le débit de gaz d’échappement au niveau des côtés anodique et cathodique par commande des vannes de commande de gaz cathodique et anodique grâce à une analyse des paramètres surveillés : a) des pressions de gaz cathodique et anodique ;

b) et des niveaux de lessive cathodique et anodique.

[0062] En conséquence, grâce à un modèle analytique, le système de commande proposé régule les pressions de gaz pan et Pan dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence lon — lea entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une certaine limite.

[0063] Ledit système de commande basé sur un modèle permettra d’obtenir une meilleure commande des performances de l’électrolyseur et d’obtenir des opérations plus stables, ce qui se traduira éventuellement par un meilleur rendement d’électrolyse lors des fonctionnements transitoires.

[0064] Ce système de commande basé sur un modèle va éviter les dommages au diaphragme ou à d'autres pièces des parties de l’électrolyseur grâce à la maîtrise de la différence de pressions de gaz entre les côtés anodique et cathodique.

[0065] Le premier paramètre surveillé est la valeur de la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan, qui est directement liée à la pression de gaz de distribution de O- (sortie) de l’électrolyseur et à la production de bulles de

O2.

[0066] Cette pression de gaz est mesurée en continu pour la comparer à une référence fixe, ou avec une courbe transitoire optimale, notamment lors du démarrage et de l'arrêt du système. Si la valeur mesurée est différente de celle- ci, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.

[0067] Grâce à cet ajustement, la pression de gaz anodique dans le séparateur gaz- liquide va ainsi être adaptée en continu pour atteindre sa valeur de référence ou optimale.

[0068] La deuxième valeur surveillée concerne la valeur de la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca, qui est directement liée à la production de bulles de Ha et peut impliquer une différence de pression de gaz avec le côté anodique, et endommager le diaphragme ou d'autres parties de l’électrolyseur.

[0069] Cette pression de gaz est ensuite mesurée en continu et comparée à la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide anodique. Si la valeur mesurée est différente de celle-ci, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.

[0070] Grâce à cet ajustement, la différence pan — P-aentre les pressions de gaz anodique et cathodique dans les séparateurs gaz-liquide va ainsi être maintenue de manière continue proche de zéro.

[0071] Le troisième élément surveillé est le niveau de lessive anodique /,n, qui est directement lié à la pression de gaz anodique dans le séparateur gaz-liquide

GLSan et à la hauteur de pression totale du côté cathodique, à travers la ligne d’équilibrage 16 de la lessive.

[0072] Ce niveau de lessive /,n est mesuré en continu pour s'assurer qu’il reste dans une plage sûre, notamment lors du démarrage et de l'arrêt du système. Si la valeur mesurée n’est pas dans la plage, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.

[0073] Grâce à cet ajustement, au niveau d’une hauteur de pression totale fixe du côté cathodique, la pression de gaz anodique va varier en conséquence, impliquant un changement du niveau de lessive anodique, grâce à la ligne d’équilibrage de lessive 16. Ainsi, le niveau de lessive anodique /,,, dans le séparateur gaz-liquide GLSan, va ainsi être adapté en continu de sorte qu’il reste dans la plage sûre.

[0074] Le quatrième élément surveillé est le niveau de lessive cathodique la, qui est directement lié à la pression de gaz cathodique dans le séparateur gaz-liquide

GLSca et à la hauteur de pression totale du côté anodique, à travers la ligne d’équilibrage 16 de la lessive.

[0075] Ce niveau de lessive est ensuite mesuré en continu et comparé au niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique. Si la valeur mesurée est différente de celle-ci, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.

[0076] Grâce à cet ajustement, au niveau d’une hauteur de pression totale fixe du côté anodique, la pression de gaz cathodique va varier en conséquence, impliquant un changement du niveau de lessive cathodique [-4, grâce à la ligne d’équilibrage 16 de la lessive. Ainsi, la différence lan — Lea entre des niveaux de lessive anodique et cathodique dans les séparateurs gaz-liquide sera ainsi maintenue en continu proche de zéro.

[0077] Le cinquième élément considéré est basé sur le fonctionnement d’une vanne de commande de gaz sur le flux de gaz anodique, en aval du séparateur gaz- liquide GLSan. Dans cette approche, la pression de gaz du séparateur gaz- liquide anodique pourrait varier rapidement en fonction du fonctionnement transitoire de l’électrolyseur, ainsi que du niveau de lessive.

[0078] Ainsi, dans le fonctionnement nominal du système d'électrolyseur, la position de la vanne de commande de gaz est plus ou moins constante.

[0079] Inversement, dans un mode de fonctionnement transitoire, la production de bulles de dioxygène peut se faire brusquement, de sorte que la position de la vanne de commande de gaz anodique V,, Sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz anodique et le niveau de lessive.

[0080] Le sixième élément considéré est basé sur le fonctionnement d’une vanne de commande de gaz sur le flux de gaz cathodique, en aval du séparateur gaz- liquide GLSca. Elle fonctionnera de la même manière que la vanne de commande de gaz du côté anodique.

[0081] I! est également possible de disposer de plusieurs systèmes d'électrolyse constitués de plusieurs piles d’électrolyseur 10, de séparateurs gaz-liquide, de pompes à lessive commandables, de vannes de commande de gaz et d’unités de conversion de puissance disposées en série et/ou en parallèle.

[0082] Chacune peut apparaître horizontalement, verticalement ou une combinaison des deux orientations, quelle que soit la disposition étudiée.

[0083] II en est de même pour le nombre de cellules électrolytiques dans ladite ou lesdites piles d’électrolyseur, c'est-à-dire que l’approche définie est indépendante du nombre concerné de cellules électrolytiques.

[0084] Cette approche peut également être appliquée à des circuits de lessive anodiques et cathodiques mixtes ou non mixtes (complètement séparés), avec des pompes indépendantes 14an, 14ca ou avec une pompe mutuelle.

[0085] L’invention s'applique également si la pression de gaz cathodique (Hz) est maîtrisée pour atteindre une valeur de consigne et que la pression du gaz anodique (O2) est ajustée pour ne pas avoir de différence.

[0086] Il en est de même pour les niveaux de lessive 1,7 et La, et le niveau de lessive anodique /, pourrait être ajusté pour réduire la différence avec le niveau de lessive cathodique 4 qui est maîtrisé pour atteindre une valeur de consigne.

[0087] Un mode de réalisation préférable de l'invention utilise des capteurs de pression et de niveau de gaz, mais il est également possible d'utiliser des capteurs différentiels pour détecter les niveaux de pression de gaz panet Pra et les niveaux de lessive Ian et la.

[0088] II est également possible d’utiliser d’autres types de vannes de retenue des gaz d’échappement pour réguler le système du côté du flux anodique et cathodique, notamment des vannes de contre-pression ou des vannes de décharge de la pression des gaz.

[0089] Le modèle utilisé comme maître pour commander le PLC est de préférence basé sur une modélisation prédictive usuelle, mais peut aussi être basé sur un simple modèle d’équation linéaire jusqu’à un modèle d’apprentissage de données pour être auto-adaptatif.

[0090] Par ailleurs, un septième élément pourrait être ajouté en plus, c'est-à-dire au moins un capteur de courant électrique (ou une densité de courant électrique) pour permettre au système de commande d’être plus prédictif et de réagir plus rapidement.

[0091] Exemple d’un modele de surveillance

[0092] Les sorties mesurées du procédé d'électrolyse alcaline sont la valeur de pression de gaz anodique pan, la valeur de pression de gaz cathodique p.…, et la différence lun — l.aentre les valeurs de niveau de lessive dans le séparateur gaz- liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca respectivement.

[0093] Les entrées du processus comportent la valeur de débit de gaz Q5"du séparateur gaz-liquide anodique GLSan et la valeur de débit de gaz Q5"du séparateur gaz-liquide cathodique GLSca.

[0094] Par conséquent, les vecteurs d’entrée et de sortie peuvent être les suivants :

[0095] [Math. 1]

Pan QE" — — g

Pee [= os lan cu lea

[0096] Le nouveau système de commande utilise un modèle de commande pour estimer les sorties futures de l’électrolyseur en fonction des entrées et sorties actuelles comme le montre la figure 4.

[0097] À l’aide des sorties futures estimées, l’optimiseur trouve les meilleures entrées en minimisant la fonction objective suivante :

[0098] [Math. 2]

Np 0 ‘ ‘ 2 . . T

J =) [PG + jl) — wCk + JHOJQ[P We + jl) — wk + 7149] j=1

Nc +) [AuCk + jIK)IR[AuCk + jVOT j=1

[0099] Où: - Ÿ(k + j|k) est une prévision optimale au palier j de la sortie du système ; -w(k + j|k) est la trajectoire de référence future ; - Q et R sont les facteurs de pondération ; - N, et N, sont les horizons de prédiction et de commande.

[0100]Q, R, N, et N. doivent être correctement accordés pour atteindre une performance de commande raisonnable.

[0101] Une fois le problème d'optimisation de l'équation ci-dessus résolu, le premier élément du vecteur d'entrée est appliqué au processus et le problème d'optimisation est à nouveau résolu pour les temps d'échantillonnage suivants.

[0102] Six contraintes sont considérées pour résoudre le problème d'optimisation.

[0103] Les première et seconde contraintes sont de limiter les vannes de retenue de gaz d’échappement de dioxygène V,, et les vannes de retenue de gaz d'échappement de dihydrogène V., de sorte que les valeurs de débit de gaz anodique Q5” et cathodique Qg“restent chacune entre une valeur minimale Qui et une valeur maximale Q5"«* :

[0104] [Math. 3]

Qui < QE” < Que”

[0105] [Math. 4]

Qui < QE < Que”

[0106] La troisième contrainte concerne la différence de niveaux de lessive lan — lea-

[0107] La différence absolue lan — Lea entre les valeurs de niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca respectivement ne doit pas être supérieure à une valeur seuil de niveau de lessive Al ax :

[0108] [Math. 5] lan cu leal < Almax

[0109] II doit y avoir deux contraintes pour les valeurs de niveau de lessive Inet lea pour assurer le fonctionnement sûr du séparateur gaz-liquide anodique GLSan et du séparateur gaz-liquide cathodique GLSca, en limitant les valeurs de niveau de lessive ‚net l.ade sorte que chaque valeur de niveau de lessive reste entre une valeur minimale Lin et une valeur maximale Lmax :

[0110] [Math. 6]

Lin < lan < Lmax

[0111] [Math. 7]

Lin < lea < Lmax

[0112] La contrainte finale est d’éviter que la différence absolue pan — Praentre les valeurs de pression de gaz anodique et cathodique ne soit supérieure à une valeur seuil de pression de gaz Apmax :

[0113] [Math. 8] [Pan cu Deal < APmax

[0114] Différents modèles peuvent être utilisés comme modèle de commande pour calculer les sorties futures.

[0115] À titre d'exemple, la formulation du modèle de Hammerstein qui est un modèle non linéaire variant dans le temps est la suivante :

[0116][Math. 9]

Y(k) = —a,Y(k — 1) — azY(k — 2) — + — An, Ÿ(K — Na) + bov(k) + biv(k — 1)+,,, +bn,v(k — np) où a, à a, et bo à b,, sont des coefficients du modèle de Hammerstein et v(k) est une fonction non linéaire de u(k) :

[0117][Math. 10] v(k) = f(u(k))

[0118] Les paramètres du modèle de Hammerstein et de la fonction f doivent être identifiés pour un électrolyseur donné à l’aide de données expérimentales ou de résultats de simulation disponibles.

Claims

Revendications

1 Système de commande (100) destiné à réguler le fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) d’un appareil d’électrolyse de l'eau alcaline, l'appareil comprenant :

- une cuve d'électrolyse (10) comprenant :

- une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ; - une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ; - une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ;

- un séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique (141), Ie gaz de dioxygène s'écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique (Vn) ;

- un séparateur gaz-liquide cathodique (GLSan) étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique (14), le gaz de dinhydrogène s'écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dinydrogène cathodique (V.4),

ledit système de commande comprenant :

-- au moins un capteur de pression de gaz anodique (pan) ;

- au moins un capteur de pression de gaz cathodique (pan) ; -- au moins un capteur de niveau de lessive anodique (141) ; -- au moins un capteur de niveau de lessive cathodique (lea) ;

-- et un dispositif de commande logique programmable (PLC) ou un ordinateur, qui est connecté à chacune des deux dites vannes de commande de gaz (Vn, Va) et à chacun des quatre dits capteurs pour envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz (Vn, Va) pour réguler les pressions de gaz (Pan, Pca) et les niveaux de lessive (lan Lea)

dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) et le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca).
2 Système de commande selon la revendication 1, dans lequel le fonctionnement des deux vannes de commande de gaz (Vn, Va) est basé sur un système de commande basé sur un modèle.
3 Système de commande selon la revendication 1 ou 2, dans lequel il régule les pressions de gaz (Pan, Pca) dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s’assurant que la différence (lan — lea) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (Almax)-
4 Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,

dans lequel il régule les niveaux de lessive (lan lea) dans les séparateurs gaz- liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s'assurant que la différence (Pan — Pea) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz- liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (Apmax)-
5 Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 4,

dans lequel :

- |) la valeur de la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz- liquide anodique (GLSan) est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ;

- ij) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène (pa) dans le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca) est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GL San) ;

ill) le niveau de lessive anodique (1,1) est mesuré en continu pour vérifier s’il reste dans une plage sûre ;

iv) le niveau de lessive cathodique (1.4) est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive (1,1) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GL San) ;

v) la vanne de commande de gaz de dioxygène (Vn) est actionnée ; vi) la vanne de commande de gaz de dihydrogène (V.4) est actionnée.
6 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée de la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de retenue de gaz d’échappement anodique (Vn) et à la vanne de retenue de gaz d’échappement cathodique (V.,) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
7 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée de la pression de gaz de dinydrogène (pa) dans le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca) est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique (Vn) et à la vanne de commande de gaz cathodique (V.,) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
8 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée du niveau de lessive anodique (141) N'est pas dans la plage sûre, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique (Vn) et à la vanne de commande de gaz cathodique (V.,) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
9 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée du niveau de lessive cathodique (14) est différente de ladite valeur fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique (Vn) et à la vanne de commande de gaz cathodique (Vca) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
10 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, dans le mode de fonctionnement nominal de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique (Vn) est plus ou moins constante, et dans lequel, dans un mode de fonctionnement transitoire de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique (V,,) sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dioxygène et la pression de lessive anodique.
11 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, dans le mode de fonctionnement nominal de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique (V..) est plus ou moins constante, et dans lequel, dans un mode de fonctionnement transitoire de l'appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique (V.,) sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dinydrogène et la pression de lessive cathodique.
12 Procédé de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) d’un appareil d’électrolyse de l'eau alcaline, l'appareil comprenant :

- une cuve d'électrolyse (10) comprenant : - une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ; - une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ; - une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ; - un séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique (14), Ie gaz de dioxygène s'écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique (Vn) ; - un séparateur gaz-liquide cathodique (GLSan) étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique (14), le gaz de dinhydrogène s'écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dinydrogène cathodique (V.4), caractérisé en ce qu'il utilise des données de commande représentant : -- la pression de gaz anodique (pan) ; -- la pression de gaz cathodique (pan) ; -- le niveau de lessive anodique (141) ; -- le niveau de lessive cathodique (lea) ; pour commander chacune des deux dites vannes de commande de gaz (Vn, Va) et chacun des quatre dits capteurs permettant d'envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz (Vn, Va) Pour réguler les pressions de gaz (Pan,Pca) et les niveaux de lessive (lan Lea) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) et le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca).
13 Procédé selon la revendication 12, dans lequel la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz (Vn, Va) est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les pressions de gaz (Pan, Pca) dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s'assurant que la différence (lan — Lea) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (Almax)-
14 Procédé selon la revendication 12, dans lequel la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz (Vn, Va) est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les niveaux de lessive (Lan Lea) dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s'assurant que la différence (Pan — Pca) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (Apmax)-
15 Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel : - |) la valeur de la pression de gaz de dioxygène (Pan) dans le séparateur gaz- liquide anodique (GLSan) est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ;

- ii) la valeur de la pression de gaz de dinydrogène (pra) dans le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca) est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène (Pan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GL San) ;

- lit) le niveau de lessive anodique (lan) est mesuré en continu pour vérifier qu'il reste dans une plage sûre ; - iv) le niveau de lessive cathodique (lan) est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive (lan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GL San) ;

- V) la vanne de commande de gaz de dioxygène (Van) est actionnée ; - Vi) la vanne de commande de gaz de dinydrogène (Va) est actionnée.