CH722402A1 - Microréacteur et réacteur pour la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, ainsi que système de production d'énergie - Google Patents

Microréacteur et réacteur pour la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, ainsi que système de production d'énergie

Info

Publication number
CH722402A1
CH722402A1 CH001394/2024A CH13942024A CH722402A1 CH 722402 A1 CH722402 A1 CH 722402A1 CH 001394/2024 A CH001394/2024 A CH 001394/2024A CH 13942024 A CH13942024 A CH 13942024A CH 722402 A1 CH722402 A1 CH 722402A1
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
hydrogen
ammonia
microreactor
reactor
chamber
Prior art date
Application number
CH001394/2024A
Other languages
English (en)
Inventor
Maroonian Aris
Socias Villanueva Alex
Vorobyeva Evgeniya
Lubej Martin
Original Assignee
Neology Hydrogen Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Neology Hydrogen Sa filed Critical Neology Hydrogen Sa
Priority to CH001394/2024A priority Critical patent/CH722402A1/fr
Priority to PCT/IB2025/062954 priority patent/WO2026133128A1/fr
Publication of CH722402A1 publication Critical patent/CH722402A1/fr

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by decomposition of inorganic compounds
    • C01B3/047—Decomposition of ammonia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J15/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with non-particulate solids, e.g. sheet material; Apparatus specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2475—Membrane reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen-containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen-containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen-containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen-containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503—Separation of hydrogen or hydrogen-containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by membranes
    • C01B3/505—Membranes containing palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00871—Modular assembly
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C01B2203/041—In-situ membrane purification during hydrogen production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C01B2203/1058—Nickel catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1064—Platinum group metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1094—Promotors or activators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

L'invention concerne un microréacteur (20) destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant deux chambres de réaction en communication fluidique l'une avec l'autre, lesdites première et deuxième chambres de réaction étant constituées de : – une première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) contenant un catalyseur de craquage, et – une deuxième chambre de chauffage.

Description

Domaine technique
[0001] La présente invention concerne la décomposition ou le craquage thermomécanique de l'ammoniac (NH<3>) pour générer de l'hydrogène (H<2>). Plus précisément, la présente invention porte sur des microréacteurs et des réacteurs destinés à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène. L'invention porte également sur un système de production d'électricité à partir de l'hydrogène fourni par ces microréacteurs et réacteurs. De plus, les microréacteurs et les réacteurs de la présente invention peuvent également mettre en œuvre la décomposition de l'ammoniac pour produire de l'hydrogène et, par ailleurs, de l'azote.
[0002] De nos jours, l'hydrogène est appelé à jouer un rôle important dans la transition énergétique et la décarbonisation des secteurs à forte intensité énergétique, qui sont plus difficiles à électrifier directement. L'ammoniac a le potentiel de devenir l'un des principaux vecteurs d'hydrogène en raison de ses propriétés compétitives en matière de densité énergétique. Ainsi, pour certaines applications où l'ammoniac ne peut pas être utilisé directement dans les applications finales, il est nécessaire de le décomposer et d'en extraire les molécules d'hydrogène qui seront utilisées dans la dernière partie de la chaîne de valeur.
[0003] À titre d'exemple, une application finale potentielle de l'hydrogène pur produit consiste à alimenter une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sans provoquer de dégradation ni de dommages dus à des particules ou des éléments indésirables qui pourraient être présents dans le flux d'hydrogène en très faibles quantités, de l'ordre du ppm (parties par million). Ainsi, garantir un haut niveau de pureté pour l'hydrogène extrait de la molécule d'ammoniac pourrait s'avérer crucial pour certaines applications. À l'heure actuelle, l'hydrogène est appelé à jouer un rôle important dans la transition énergétique et la décarbonisation des secteurs lourds, qui sont plus difficiles à électrifier directement.
[0004] Il est nécessaire d'améliorer les technologies existantes de craquage de l'ammoniac afin de pouvoir l'utiliser de manière très fiable et efficace pour produire et fournir de l'hydrogène à la demande d'un système, directement au sein de celui-ci ou en liaison avec le système nécessitant de l'hydrogène comme source d'énergie. L'approvisionnement compétitif en hydrogène de bonne qualité grâce à un procédé de décomposition de l'ammoniac au sein ou à proximité du système fonctionnant à l'hydrogène présentera des avantages. Cela permettra de réaliser des économies, car l'ammoniac possède une densité énergétique d' s 3,5 fois supérieure à celle de l'hydrogène, et cela réduira également les risques liés à la distribution et au stockage de l'ammoniac par rapport à l'hydrogène.
État de la technique
[0005] La technologie de décomposition de l'ammoniac est une méthode existante permettant d'extraire l'hydrogène de la molécule porteuse d'hydrogène au cours d'une réaction endothermique, dans laquelle de l'énergie externe doit être fournie au système pour que la réaction se produise. Ces dernières années, un domaine de recherche s'est concentré sur le développement de nouveaux catalyseurs pour les réacteurs afin de décomposer l'ammoniac en hydrogène à des températures plus basses, réduisant ainsi les besoins en énergie et améliorant le rendement.
[0006] Un autre domaine de recherche concernant la technologie de craquage de l'ammoniac se concentre sur le développement et l'optimisation des systèmes de réacteurs afin de minimiser les pertes d'énergie et de déployer des systèmes de chauffage innovants intégrés au réacteur. Cependant, pour atteindre les degrés de pureté de l'hydrogène requis par l'industrie et certains dispositifs tels que les piles à combustible, il serait nécessaire d'atteindre des températures bien plus élevées afin d'obtenir un meilleur rendement de conversion, et même ainsi, nous ne pourrions pas garantir que l'hydrogène produit réponde à ces exigences strictes.
[0007] Ainsi, jusqu'à aujourd'hui, pour les applications industrielles à grande échelle, on utilise des méthodes de purification telles que l'adsorption modulée en pression (PSA), qui sont économiques car la technologie est très développée et arrivée à maturité, mais elles ne sont pas optimales pour l'utilisation de l'énergie ou de l'espace dans des applications telles que les applications embarquées.
[0008] Parallèlement, d'autres solutions innovantes récentes pour le système de purification et pour les systèmes de décomposition de l'ammoniac en hydrogène ont vu le jour afin d'accroître le potentiel d'utilisation de l'ammoniac en tant que vecteur énergétique.
Brève description de l'invention
[0009] L'un des objectifs de la présente invention est de fournir un dispositif qui surmonte les inconvénients et les limites de l'état de la technique.
[0010] Un autre objectif est de fournir un dispositif capable de décomposer l'ammoniac pour extraire de l'hydrogène, ce dispositif étant polyvalent afin de pouvoir être utilisé dans des systèmes de tailles différentes et/ou dotés d'équipements différents, que ce soit pour des applications fixes ou mobiles.
[0011] Un autre objectif de l'invention est de fournir un moyen plus efficace de décomposer l'ammoniac pour extraire de l'hydrogène, en ce qui concerne une ou plusieurs des propriétés suivantes : la consommation d'énergie, la température de réaction et la pureté de l'hydrogène obtenu.
[0012] Par conséquent, l'invention vise à fournir un dispositif permettant d'extraire l'hydrogène de la molécule d'ammoniac de manière efficace, en réduisant les besoins en énergie et en optimisant les flux d'énergie au sein du dispositif.
[0013] L'un des objectifs de la présente invention est de fournir un réacteur qui surmonte les inconvénients et les limites de l'état de la technique.
[0014] Selon l'invention, ces objectifs sont atteints par l'objet des revendications ci-jointes, et en particulier par un microréacteur destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant deux chambres de réaction en communication fluidique l'une avec l'autre, lesdites première et deuxième chambres de réaction d' -ammoniac étant formées par :
–
une première chambre de décomposition de l'ammoniac contenant un catalyseur de craquage, et
–
une deuxième chambre de chauffage,
* ledit microréacteur comportant une entrée d'alimentation en ammoniac reliée à ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac et une entrée d'alimentation en air reliée à ladite entrée de la deuxième chambre de chauffage,
* ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac comportant une sortie d'hydrogène pour évacuer l'hydrogène généré, ainsi qu'une sortie des produits de décomposition de l'ammoniac,
* ladite deuxième chambre de chauffage comportant une entrée de deuxième chambre de chauffage en communication fluidique avec la sortie des produits de décomposition de l'ammoniac, et une sortie de résidus pour évacuer les résidus hors du microréacteur.
[0015] Dans cette version générique du microréacteur selon l'invention, on retrouve les éléments de base nécessaires pour décomposer l'ammoniac en hydrogène tout en initiant et en maintenant une température suffisamment élevée dans la première chambre de décomposition de l'ammoniac. Dans ce contexte, le microréacteur selon l'invention intègre un système de chauffage, sous la forme d' e de la deuxième chambre de chauffage, afin d'améliorer les conditions de réaction de la manière la plus compacte possible
[0016] Dans un mode de réalisation spécifique, le microréacteur comprend en outre une membrane de séparation. Plus précisément, les dispositions suivantes s'appliquent :
–
ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac est divisée par ladite membrane de séparation en deux espaces adjacents, formant respectivement un espace de production d'hydrogène contenant ledit catalyseur de craquage, et un espace de purification d'hydrogène relié à ladite sortie d'hydrogène,
–
ladite membrane de séparation est capable de filtrer les éléments contenus dans ledit espace de production d'hydrogène de manière à laisser l'hydrogène passer à travers ladite membrane de séparation dans ledit espace de purification d'hydrogène,
–
ladite entrée d'alimentation en ammoniac est reliée audit espace de production d'hydrogène,
–
ladite sortie d'hydrogène de ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac est reliée audit espace de purification de l'hydrogène,
–
ladite sortie des produits de décomposition de l'ammoniac est reliée audit espace de production d'hydrogène.
[0017] Grâce à ce mode de réalisation spécifique du microréacteur, il est possible d'extraire l'hydrogène de la molécule d'ammoniac de manière efficace tout en conservant une grande pureté pour l'hydrogène produit à la sortie du microréacteur, à savoir la sortie d'hydrogène.
[0018] Par rapport à l'état de la technique, ce mode de réalisation spécifique de l'invention offre, entre autres, grâce à l'intégration de la membrane de séparation dans le même dispositif que les chambres de réaction, l'avantage d'obtenir un système aussi compact que possible, présentant un rendement énergétique élevé, de faibles besoins en chaleur et des taux de conversion élevés de l'ammoniac en hydrogène.
[0019] Cela permettra donc de faire fonctionner les deux processus principaux dans le même microréacteur, à savoir la réaction de décomposition de l'ammoniac et la séparation et la purification de l'hydrogène.
[0020] Dans un mode de réalisation possible, la première chambre de décomposition de l'ammoniac et la deuxième chambre de chauffage forment deux chambres réactives adjacentes séparées par une paroi de séparation commune qui permet à la chaleur générée dans ladite deuxième chambre de chauffage d'être transférée par ladite paroi de séparation vers ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac, fournissant ainsi de la chaleur à la réaction de craquage de l'ammoniac qui se déroule dans l'espace de production d'hydrogène. Cette disposition permet de réaliser des économies d'énergie.
[0021] Dans un mode de réalisation possible, la première chambre de décomposition de l'ammoniac et la deuxième chambre de chauffage sont des chambres réactives de forme plate, parallèles l'une à l'autre et séparées par une paroi de séparation commune (paroi de séparation des chambres), et ledit espace de purification de l'hydrogène et ledit espace de production d'hydrogène forment deux espaces superposés, parallèles l'un à l'autre et à ladite deuxième chambre de chauffage. Cette disposition compacte et plate offre des avantages décrits ci-après dans le présent texte.
[0022] Dans un mode de réalisation possible, le microréacteur comprend en outre, le long de deux côtés opposés desdites chambres réactives, un couloir destiné à l'échange gazeux avec lesdites chambres réactives, dans lequel :
–
un premier couloir comprend ladite entrée d'alimentation en ammoniac qui communique uniquement avec ledit espace de production d'hydrogène, et ladite sortie de résidus qui communique uniquement avec ladite deuxième chambre de chauffage, et
–
un deuxième passage comprend ladite entrée d'alimentation en air communiquant avec ladite deuxième chambre de chauffage et sans communication avec la première chambre de décomposition de l'ammoniac, et ladite sortie d'hydrogène qui communique uniquement avec ledit espace de purification de l'hydrogène.
[0023] Dans ce cas, il est possible que ledit deuxième couloir comporte une paroi de séparation espacée de ladite deuxième chambre de chauffage par un espace de communication situé entre ladite sortie des produits de décomposition de l'ammoniac de ladite production d'hydrogène et ladite entrée de ladite deuxième chambre de chauffage.
[0024] Dans ce cas, il est également possible que ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac et ladite deuxième chambre de chauffage soient divisées en canaux parallèles séparés l'un de l'autre et s'étendant entre ledit premier couloir et ledit deuxième couloir.
[0025] Dans un mode de réalisation possible, ladite entrée d'alimentation en air est reliée à ladite entrée de la deuxième chambre de chauffage à proximité de ladite sortie des produits de décomposition de l'ammoniac.
[0026] Le microréacteur selon la présente invention repose sur un type de technologie différent de l'état de la technique actuel, axé sur les réacteurs à lit fixe d' . Cette technologie de réacteur à lit fixe comporte une section de chauffage difficile à contrôler pour garantir que tous les flux se trouvent à la température optimale pour la réaction, ce qui peut la rendre moins réactive aux changements d'état du système.
[0027] Dans un mode de réalisation possible, le microréacteur comprend en outre une chambre supplémentaire superposée à la deuxième chambre de chauffage, contenant un module de chauffage capable de fournir de la chaleur à la chambre supplémentaire et de transférer la chaleur de celle-ci vers la deuxième chambre de chauffage. Ce module de chauffage peut être un élément chauffant électrique ou tout autre type de source de chaleur.
[0028] L'invention concerne également un réacteur destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant plusieurs microréacteurs tels que décrits dans le présent texte.
[0029] L'invention concerne également un système de production d'énergie à partir d'hydrogène fourni par un ou plusieurs microréacteurs ou par un réacteur tel que défini dans le présent texte.
Brève description des dessins
[0030] Des modes de réalisation exemplaires de l'invention sont décrits dans la description et illustrés par les dessins, dans lesquels :
–
La figure 1 illustre schématiquement plusieurs applications possibles des microréacteurs et des réacteurs de la présente invention ;
–
La figure 2 montre deux applications mobiles possibles des microréacteurs et des réacteurs de la présente invention, à savoir une application mobile dans un camion électrique à pile à combustible de poids lourd (à droite) et une application fixe dans une station de ravitaillement en hydrogène (à gauche) ;
–
La figure 3A montre une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du microréacteur avec une membrane de séparation, certaines des parois (paroi supérieure et paroi avant) étant transparentes afin de permettre de voir la disposition interne du microréacteur ;
–
La figure 3B est une vue en projection frontale du premier mode de réalisation du microréacteur de la figure 3A, en coupe ;
–
La figure 4 est une vue en perspective partielle agrandie du microréacteur des figures 3A et 3B ;
–
La figure 5A présente une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation du microréacteur dépourvu de toute membrane de séparation, certaines parois (paroi supérieure et paroi avant) étant transparentes afin de permettre de voir la disposition interne du microréacteur ;
–
La figure 5B est une vue en projection frontale du deuxième mode de réalisation du microréacteur de la figure 5A, en coupe ;
–
La figure 6 est une vue en perspective partielle agrandie du microréacteur des figures 5A et 5B ;
–
La figure 7 illustre l'empilement de microréacteurs selon les modes de réalisation de la figure 3A ou de la figure 5A, de manière à former un réacteur selon la présente invention ;
–
La figure 8 représente schématiquement une vue partielle de face en coupe du réacteur de la figure 7 lorsqu'il est empilé, pour des applications de production d'hydrogène et sur la base d'un microréacteur selon le premier mode de réalisation et d'un système de chauffage par oxydation catalytique ;
–
La figure 9 représente schématiquement une vue partielle en coupe frontale du réacteur de la figure 7 lorsqu'il est empilé, pour des applications de production de mélanges gazeux et sur la base d'un microréacteur selon le deuxième mode de réalisation et d'un système de chauffage par oxydation catalytique ;
–
La figure 10A représente une vue de dessus de l'une des deuxièmes chambres de chauffage du réacteur de la figure 8, à partir de la flèche XB de la figure 8, pour des applications de production d'hydrogène et sur la base d'un système de chauffage par oxydation catalytique ;
–
La figure 10B représente une vue de dessus de l'une des premières chambres de décomposition de l'ammoniac du réacteur de la figure 8, à partir de la flèche XC de la figure 8, en s pour des applications de production d'hydrogène et sur la base d'un système de chauffage par oxydation catalytique ;
–
La figure 11A est un schéma fonctionnel d'un système de chauffage possible, intégré à un système de production d'électricité comprenant un système de pile à combustible incluant une deuxième étape de purification, dans lequel la première chambre de décomposition de l'ammoniac générant l'hydrogène comprend une membrane de séparation, la source de chaleur pour le réacteur provenant de la deuxième chambre de chauffage via un système de chauffage hybride (combinaison de brûleurs catalytiques et de systèmes de chauffage électrique), illustrant les systèmes de régulation des flux régulant les flux gazeux entre les modules du système ;
–
La figure 11B est un schéma fonctionnel d'un système de chauffage possible, intégré à un système de production d'électricité comprenant un système de pile à combustible, dans lequel la première chambre de décomposition de l'ammoniac générant l'hydrogène ne comporte pas de membrane de séparation, la source de chaleur pour le réacteur provenant de la deuxième chambre de chauffage par l'intermédiaire d'un système de chauffage hybride (combinaison d'un brûleur catalytique et de systèmes de chauffage électriques), illustrant les systèmes de régulation des flux régulant les flux gazeux entre les modules du système ;
–
La figure 12 est un schéma fonctionnel de l'intégration d'un réacteur selon la présente invention dans un système de production d'énergie, dans lequel la première chambre de décomposition d'ammoniac générant l'hydrogène comprend une membrane de séparation, ou génère un mélange gazeux sans inclure la membrane de séparation, la source de chaleur pour le réacteur provenant de la deuxième chambre de chauffage par l'intermédiaire d'un système de chauffage hybride (combinaison d'un brûleur catalytique et de systèmes de chauffage électriques), et où la source de chaleur destinée à préchauffer le flux d'ammoniac avant l'entrée du réacteur provient d'une source d'énergie interne et externe, illustrant les systèmes de régulation des flux régulant les flux gazeux entre les modules du système ;
–
La figure 13A est un schéma fonctionnel représentant le même système que celui de la figure 12, dans une vue d'ensemble, avec un schéma fonctionnel simplifié du réacteur intégré ne montrant pas les systèmes de contrôle de débit régulant les flux gazeux entre les modules du système, et comprenant des éléments liés au cas d'utilisation finale du mélange gazeux et de l'approvisionnement en hydrogène, principalement axés sur des applications stationnaires ;
–
La figure 13B est un schéma fonctionnel, avec un schéma fonctionnel intégré simplifié du réacteur ne montrant pas les systèmes de contrôle de débit régulant les flux gazeux entre les modules du système, et incluant des éléments liés au cas d'utilisation finale qui est une application de mobilité/embarquée ou stationnaire, présentant le même système que celui de la figure 12, dans une vue d'ensemble pour une application de groupe motopropulseur à pile à combustible () ;
–
La figure 14A est un schéma fonctionnel représentant le même système que celui de la figure 13A, dans une version plus simplifiée, et
–
La figure 14B est un schéma fonctionnel représentant le même système que celui de la figure 13B, dans une version plus simplifiée.
Exemples de modes de réalisation de la présente invention
[0031] La figure 1 illustre les applications possibles d'un réacteur 100 selon la présente invention. Elle montre que la production d'hydrogène issue de la réaction de décomposition de l'ammoniac offre une voie intéressante pour produire de l'hydrogène sans carbone sur site et à la demande. Dans la partie gauche de la figure 1, en amont du réacteur 100, l'ammoniac NH<3>est produit par un module de production d'ammoniac alimenté en azote N<2>, en hydrogène H<2>et en énergie. En aval du module de production d'ammoniac, l'ammoniac NH<3>est acheminé vers une entrée d'ammoniac 102 du réacteur 100. Alternativement, dans une variante non représentée, l'ammoniac NH<3>est déjà produit et stocké dans un réservoir relié à l'entrée d'ammoniac 102 du réacteur 100. Sur la partie droite de la figure 1, en aval du réacteur 100, se trouvent deux sorties pour les produits issus du réacteur 100, à savoir une sortie d'hydrogène H<2>104 et une sortie de produits de décomposition de l'ammoniac 106 qui délivre notamment de l'azote N<2>.
[0032] La sortie d'hydrogène H<2>104 peut être utilisée directement pour alimenter certaines installations très gourmandes en hydrogène H<2>, telles que les industries lourdes qui ont besoin en permanence de grandes quantités d'hydrogène H<2>, ou encore les stations de ravitaillement en hydrogène H<2>. Pour d'autres applications, la sortie d'hydrogène H<2>104 sert de source d'hydrogène H<2>pour un moteur à combustion interne à hydrogène (Hydrogen ICE) ou pour une pile à combustible à hydrogène (Hydrogen FC), qui peuvent propulser des véhicules utilisant l'hydrogène, tels que des camions, des navires, des trains... (application mobile) ou qui peuvent alimenter d'autres installations fixes telles que des centres de données, des chantiers de construction ou des centrales électriques.
[0033] Deux exemples plus détaillés sont présentés à la figure 2, où le réacteur 100 est situé au point d'utilisation de l'hydrogène. Sur la partie gauche de la figure 2, il s'agit d'un réacteur 100 destiné à une station de ravitaillement en hydrogène. Sur la partie droite de la figure 2, le réacteur 100 est intégré dans un véhicule, en aval du réservoir d'ammoniac et en amont d'un système de pile à combustible alimentant le groupe motopropulseur électrique du véhicule.
[0034] Par conséquent, grâce au réacteur 100, il est possible d'acheminer l'ammoniac NH3 en tant que vecteur d'énergie hydrogène jusqu'au point d'utilisation.
[0035] En se référant maintenant aux figures 3A, 3B et 4, on présente une mise en œuvre possible d'un premier mode de réalisation d'un microréacteur 20 selon l'invention, avec une membrane de séparation 50.
[0036] Fondamentalement, le microréacteur 20 comprend deux chambres de réaction séparées par une paroi mais en communication fluidique l'une avec l'autre à leur extrémité, afin de permettre un écoulement de gaz d'une chambre de réaction vers l'autre. Ces deux chambres de réaction forment une première chambre de réaction et une deuxième chambre de réaction.
[0037] La première chambre de réaction est une première chambre de décomposition de l'ammoniac 21, dans laquelle se déroulent la décomposition de l'ammoniac et la séparation de l'hydrogène selon la réaction suivante : 2NH<3>→ N<2>+ 3H<2>(1)
[0038] Dans cette première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 se trouvent la membrane de séparation 50 et le catalyseur correspondant 51. Plus précisément, la membrane de séparation 50 divise la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 en deux espaces, à savoir un espace de production d'hydrogène 21a et un espace de purification d'hydrogène 21b.
[0039] L'espace de production d'hydrogène 21a contient le catalyseur 51. La décomposition de l'ammoniac se produit à haute température en présence d'un catalyseur 51. Ce catalyseur 51 est de préférence adapté au craquage de l'ammoniac par l' e à basse température, à savoir que le catalyseur peut réagir à une température minimale de 450 °C, voire à 400 °C.
[0040] Ce catalyseur de craquage 51 peut comprendre un support et au moins un métal choisi parmi le ruthénium, le nickel, le rhodium, l'iridium, le cobalt, le fer, le platine, le chrome, le palladium, le molybdène, le tantale, le cuivre, le manganèse et l'argent ou Ce<2>O<3>.
[0041] Ce catalyseur de craquage 51 peut être activé par au moins un métal choisi parmi Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Sm et Gd, ou avec au moins un des groupes de matériaux suivants : carbures et nitrures de métaux de transition, amides et imides de métaux alcalino-terreux, et hydrures métalliques complexes, notamment NaAlH<4>, LiAlH<4>, Mg(BH<4>)<2>.
[0042] Ce catalyseur de craquage 51 peut comprendre un support contenant au moins un matériau choisi parmi Al<2>O<3>, MgO, CeO<2>, ZrO<2>, La<2>O<3>, SiO<2>, Y<2>O<3>, TiO, TiO<2>, SiC, du BN hexagonal (nitrure de bore), des nanotubes de BN, du carbure de silicium, une ou plusieurs zéolites, du LaAlO<3>, du CeAlO<3>, du MgAl<2>O<4>, du CaAl<2>O<4>, un ou plusieurs nanotubes de carbone, une ou plusieurs fibres de carbone, du charbon actif, de la silice mésoporeuse et du graphène.
[0043] Pendant le déroulement de la réaction de décomposition de l'ammoniac, la température dans l'espace de production d'hydrogène 21a est comprise entre 200 °C et 800 °C dans ledit espace de production d'hydrogène, ladite température dans ledit espace de production d'hydrogène étant de préférence comprise entre 400 °C et 800 °C.
[0044] De plus, la vitesse de décomposition de l'ammoniac dépend également de la pression. Dans la présente invention, le microréacteur 20 fonctionne à pression atmosphérique ou à une pression proche de la pression atmosphérique, comme cela sera expliqué ci-après, selon la présence ou l'absence de la membrane de séparation 50. La pression dans l'espace de production d'hydrogène 21a est généralement comprise entre 100 000 Pa (1 bar) et 1 000 000 Pa (10 bars), et entre 200 000 Pa (2 bars) et 10 000 000 Pa (100 bars) en présence de la membrane de séparation 50.
[0045] L'espace de production d'hydrogène 21a contient également de l'ammoniac gazeux provenant de l'entrée d'alimentation en ammoniac 102. Cet ammoniac gazeux NH<3>est craqué par I, grâce au catalyseur 51 et à une température suffisante, en hydrogène H<2>et en azote N<2>.
[0046] La membrane de séparation 50 peut être une membrane perméable à l'H<2>fabriquée à partir d'un matériau à base de palladium (membrane céramique à base de Pd ou membrane métallique à base de Pd), tel que des alliages Pd-Cu, Pd-Au ou Pd-Ag, ou fabriquée dans un matériau polymère figurant dans la liste suivante : polysulfones, caoutchoucs de silicone, poly(chlorure de vinyle), caoutchoucs naturels, polycarbonates et polystyrènes, ou fabriquée en céramique poreuse, telle qu'un matériau céramique à base de Pd, ou telle que des oxydes poreux comprenant Al<2>O<3>ou ZrO<2>, ou constitué d'un alliage à base de nickel, d'un acier inoxydable poreux, de Ni-Nb-Zr, ou d'acide sulfonique perfluoré, de polybenzimidazole ou d'oxydes conducteurs de protons, notamment SrCe<0,95>Yb<0,05>O<3-a>, BaCe<0,90>Nd<0,10>O<3-a>et SrZr<0,5>Ce<0,4>Y<0,1>O<3-a>, où a désigne la quantité de lacunes d'oxygène.
[0047] La membrane de séparation 50 peut être une membrane à fibres creuses.
[0048] La membrane de séparation 50 peut être une membrane à fibres creuses associée à un support poreux, formant ainsi une membrane supportée. Le support poreux associé à ladite membrane de séparation 50 peut être à base de l'un des matériaux suivants : Al<2>O<3>, acier inoxydable, métal, verre, céramique, zéolite et polymère organique ou un mélange de ceux-ci.
[0049] La membrane de séparation 50 peut en outre être associée à une couche intermédiaire à base de l'un des matériaux suivants : céramique, oxyde de vanadium, nickel et nitrure.
[0050] La membrane de séparation 50 permet le passage des molécules d'hydrogène H<2>de l'espace de production d'hydrogène 21a vers l'espace de purification d'hydrogène 21b où l'hydrogène pur H<2>est collecté. Tout l'hydrogène H<2>produit dans l'espace de production d'hydrogène 21a n'est pas filtré par la membrane de séparation 50 et ne passe pas par l'espace de purification d'hydrogène 21b. Par conséquent, outre l'azote N<2>et l'ammoniac NH<3>non décomposé, une partie de l'hydrogène H<2>reste également dans l'espace de production d'hydrogène 21a pour une circulation ultérieure dans le microréacteur 20.
[0051] Dans certains cas, ledit espace de purification d'hydrogène 21b est en outre capable de contenir une partie de l'azote N<2>généré résultant de la décomposition de l' e d'ammoniac, et ayant traversé ladite membrane de séparation 50, et ladite sortie d'hydrogène 104 est capable d'évacuer l'hydrogène généré et une partie de l'azote N<2>généré contenu dans ledit espace de purification d'hydrogène 21b.
[0052] L'espace de purification de l'hydrogène 21b s'étend le long de la membrane de séparation 50, du côté de celle-ci opposé à l'espace de production d'hydrogène 21a. Lorsque le flux gazeux présent dans l'espace de production d'hydrogène 21a s'écoule de l'entrée vers la sortie de l'espace de production d'hydrogène 21a, la réaction de décomposition de l'ammoniac se produit, permettant aux molécules d'hydrogène nouvellement générées de traverser la membrane de séparation 50 et d'être collectées dans l'espace de purification d'hydrogène 21b. Cet hydrogène pur s'écoule ensuite vers la sortie d'hydrogène 104 pour être évacué hors du microréacteur 20. La filtration par la membrane est forcée grâce à une différence de pression. En général, il existe une différence de pression d'au moins 100 000 Pa (1 bar) entre ledit espace de production d'hydrogène 21a et ledit espace de purification d'hydrogène 21b, la pression dans ledit espace de purification d'hydrogène 21b étant inférieure à celle dans ledit espace de production d'hydrogène 21a.
[0053] La deuxième chambre réactive est une deuxième chambre de chauffage 22 où a lieu une production ou un apport de chaleur et le transfert de cette énergie thermique vers la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 à travers la paroi séparant ces deux chambres 21, 22. Cet apport d'énergie est nécessaire pour maintenir une température suffisamment élevée dans la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21, et plus particulièrement dans l'espace de production d'hydrogène 21a, afin de permettre le déroulement de la réaction de décomposition de l'ammoniac. Cette exigence découle du fait que le processus de décomposition de l'ammoniac est une réaction endothermique, dans laquelle un certain niveau d'énergie doit être atteint pour déclencher la réaction et extraire les molécules d'hydrogène, ainsi que pour maintenir la réaction en cours au fil du temps.
[0054] Cette chaleur peut provenir de plusieurs sources. Dans un mode de réalisation, le microréacteur 20 comprend en outre un système de chauffage agencé de telle sorte qu'une partie de la chaleur puisse être acheminée vers ledit espace de production d'hydrogène 21a, ce qui permet de déclencher et de maintenir la réaction de craquage de l'ammoniac. Quelques exemples d'agencements de systèmes de chauffage, la chaleur étant fournie par le système de chauffage installé dans la deuxième chambre de chauffage 22, sont illustrés aux figures 8 à 10 et seront décrits ci-après dans le texte.
[0055] La sortie 211 de l'espace de production d'hydrogène 21a (sur le côté droit de la figure 3B) communique avec l'entrée 212 de la deuxième chambre de chauffage 22 (flèche A1) via une chambre de communication 213. Cette sortie 211 de l'espace de production d'hydrogène 21a correspond à la sortie des produits de décomposition de l'ammoniac. Cette chambre de communication 213 forme un espace s'étendant le long du deuxième couloir 32 au niveau à la fois de l'espace de purification de l'hydrogène 21b et de la deuxième chambre de chauffage 22, entre cette dernière et l'espace d'alimentation en air 32a, par l'intermédiaire d'une paroi de séparation 213a s'étendant du niveau de la membrane de séparation 50 jusqu'au niveau de la paroi de séparation 23 de la chambre de , mais pas au niveau de la deuxième chambre de chauffage 22. De plus, cette chambre de communication 213 communique avec la sortie de l'espace de production d'hydrogène 211, l'entrée de la deuxième chambre de chauffage 22 et avec l'espace d'alimentation en air 32a (à droite des figures 3A et 3B).
[0056] En d'autres termes, en ce qui concerne le flux d'ammoniac NH<3>, la deuxième chambre de chauffage 22 est placée en aval de la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21. Cela permet à la chaleur présente dans le flux de gaz sortant de la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 au niveau de l'espace de production d'hydrogène 21a d'être conservée un certain temps dans le microréacteur 20, c'est-à-dire dans la deuxième chambre de chauffage 22, et de contribuer au maintien d'une température suffisamment élevée dans la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21.
[0057] L'entrée 212 de la deuxième chambre de chauffage 22 reçoit également un apport d'air par l'intermédiaire d'une entrée d'alimentation en air 108. La sortie de la deuxième chambre de chauffage 22 correspond à la sortie des résidus 106. Dans la deuxième chambre de chauffage 22, une deuxième réaction de décomposition de l'ammoniac se produit en présence d'hydrogène et d'oxygène gazeux présents dans l'air provenant de l'entrée d'alimentation en air 108. À savoir, la deuxième réaction de décomposition de l'ammoniac qui se déroule dans la deuxième chambre de chauffage 22 consiste en la réaction exothermique suivante : 2NH<3>+ H<2>+2O<2>→ N<2>+ 4H<2>O (2) On comprend que la deuxième chambre de chauffage 22 forme un système de chauffage par oxydation catalytique.
[0058] Par conséquent, à la sortie des résidus 106, de l'eau H<2>O et de l'azote N<2>sontdélivrés et peuvent également être récupérés pour être réutilisés.
[0059] Afin d'obtenir un agencement compact et empilable ainsi qu'une conservation de la chaleur et un rendement de réaction plus efficaces, le microréacteur 20 présente une géométrie plate , comme le montrent les figures 3 à 6. La première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et la deuxième chambre de chauffage 22 sont généralement plates, avec un contour de géométrie polygonale qui est rectangulaire sur les figures. La première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et la deuxième chambre de chauffage 22 sont séparées par une paroi de séparation de chambre d' 23. Il existe également une paroi inférieure 24 et une paroi supérieure 25 pour délimiter et fermer les côtés plats externes du microréacteur 20. Dans le présent texte, les termes „haut“ et „bas“ sont conformes aux figures, mais pourraient être inversés ou placés à gauche et à droite selon l'orientation du microréacteur 20.
[0060] Dans la configuration préférée illustrée sur les figures, la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et la deuxième chambre de chauffage 22 sont parallèles l'une à l'autre. Cela signifie que la membrane de séparation 50, la paroi de séparation de la chambre 23, la paroi supérieure 24 et la paroi inférieure 25 sont également parallèles les unes aux autres.
[0061] Ces configurations planes et parallèles permettent d'obtenir une surface de séparation maximale entre la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et la deuxième chambre de chauffage 22, à savoir une membrane de séparation 50 présentant une extension maximale entre la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et la deuxième chambre de chauffage 22. Cette disposition contribue également à assurer une durée d'écoulement suffisante tant dans l'espace de production d'hydrogène 21a que dans la deuxième chambre de chauffage 22 afin d'obtenir un rendement réactionnel maximal. Cette disposition contribue également à maximiser le transfert de chaleur entre la deuxième chambre de chauffage 22 et l'espace de production d'hydrogène 21, et contribue également à maximiser la conservation de la chaleur dans le micro-réacteur 20.
[0062] Grâce à la mise en place d'un système de couplage et à l'intégration d'un espace de chauffage (deuxième chambre de chauffage 22) dans le microréacteur 20, formant un espace parallèle à celui où se déroule la réaction principale (première chambre de décomposition de l'ammoniac 21), il est possible de transférer l'énergie de manière hautement efficace. L'énergie nécessaire pour effectuer la décomposition de l'ammoniac et la séparation de l'hydrogène sera réduite grâce au couplage de ces deux processus au sein d'un seul microréacteur 20. Cela permettra donc de réduire les besoins globaux en chaleur pour faire fonctionner le microréacteur 20 ou tout système comportant un tel microréacteur 20, rendant ainsi le processus plus efficace d'un point de vue thermodynamique. Cela pourrait potentiellement réduire le coût total de possession (TCO) lors de l' t de l'exploitation d'un système fonctionnant avec de l'hydrogène généré par la réaction de décomposition de l'ammoniac à l'aide des microréacteurs de la présente invention.
[0063] Le mode de production de la chaleur dans la deuxième chambre de chauffage 22 repose sur une oxydation catalytique, dans laquelle l'hydrogène non pur et l'ammoniac non craqué sont combinés avec de l'oxygène prélevé dans l'air pour générer de la chaleur, de l'eau et de l'azote. Ainsi, l'eau et l'azote produits peuvent être rejetés dans l'environnement, car ils ne contiennent aucun élément dangereux ou nocif pour la planète.
[0064] L'alimentation et l'évacuation des différents gaz sont organisées dans deux couloirs spécifiques s'étendant sur toute la longueur de deux côtés opposés du microréacteur 20. Un premier conduit 31 s'étend entre les deux extrémités du côté 26 du microréacteur (à gauche sur les figures 3A et 3B), pour la distribution de l'ammoniac NH<3>et pour la collecte des produits de décomposition de l'ammoniac générés et/ou recueillis dans la deuxième chambre de chauffage 22. Un deuxième couloir 32 s'étend entre les deux extrémités d'un deuxième côté 27 du microréacteur (à droite des figures 3A et 3B), pour la distribution de l'air et pour la collecte de l'hydrogène H<2>produit dans la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et collecté dans l'espace de purification de l'hydrogène 21b.
[0065] Le premier couloir 31 est divisé en deux espaces superposés qui sont étanches aux gaz l'un par rapport à l'autre et ne communiquent pas entre eux, étant séparés par une paroi de séparation 31c. Il existe un espace d'alimentation en ammoniac 31a situé au même niveau que l'espace de production d'hydrogène 21a et communiquant avec celui-ci ainsi qu'avec l'entrée d'alimentation en ammoniac 102. L'espace d'alimentation en ammoniac 31a ne communique pas avec (est étanche aux gaz par rapport à) l'espace de purification d'hydrogène 50, ni avec la deuxième chambre de chauffage 22. Il existe également un espace d'évacuation des résidus 31b situé au même niveau que la deuxième chambre de chauffage 22 et communiquant avec la deuxième chambre de chauffage 22 ainsi qu'avec la sortie des résidus 106. L'espace d'évacuation des résidus 31b ne communique pas avec (est étanche aux gaz par rapport à) l'espace de purification de l'hydrogène 50, ni avec l'espace de production d'hydrogène 21a.
[0066] Le deuxième couloir 32 est également divisé en deux espaces superposés qui sont étanches aux gaz l'un par rapport à l'autre et qui ne communiquent pas par l', étant séparés par une paroi de séparation 32c. Il existe un espace d'alimentation en air 32a situé au même niveau que la deuxième chambre de chauffage 22 et communiquant avec l'entrée d'alimentation en air 108 ainsi qu'avec l'entrée 212 de la deuxième chambre de chauffage 22 via la chambre de communication 213. L'espace d'alimentation en air 32a est séparé de l'espace de purification d'hydrogène 21b par la chambre de communication 213, la sortie 211 de l'espace de production d'hydrogène et la membrane de séparation 50. Il existe également un espace de décharge d'hydrogène 32b situé au même niveau que l'espace de purification d'hydrogène 21b et communiquant avec la sortie 214 de l'espace de purification d'hydrogène et avec la sortie d'hydrogène H<2>104.
[0067] De plus, afin de diriger les flux dans les deux chambres réactives entre le premier côté 26 et le deuxième côté 27, ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 et ladite deuxième chambre de chauffage 22 sont divisées en canaux parallèles 21c, 22c séparés les uns des autres par des parois de séparation 21d, 22d ; pour les parois de séparation de la deuxième chambre de chauffage 22, voir les figures 3A, 3B, 5A et 5B. Ces canaux parallèles 21c, 22c s'étendent du premier côté 26 du microréacteur vers le deuxième côté 27 du microréacteur, opposé au premier côté 27. Ce premier côté 26 correspond à l'emplacement du premier couloir 31 et le deuxième côté 27 correspond à l'emplacement du deuxième couloir 32. Dans le premier mode de réalisation, cela s'applique également à la fois à l'espace de production d'hydrogène 21a et audit espace de purification d'hydrogène 21b. Les canaux parallèles 21c dans l'espace de production d'hydrogène 21a permettent l'écoulement du gaz du premier côté 26 (premier couloir 31) vers le deuxième côté 27 (deuxième couloir 32) du microréacteur 20. Les canaux parallèles 22c dans la deuxième chambre de chauffage 22 permettent l'écoulement du gaz du deuxième côté 27 (deuxième couloir 32) vers le premier côté 26 (premier couloir 31) du microréacteur 20.
[0068] Selon le premier mode de réalisation du microréacteur 20, grâce à l'intégration de la membrane de séparation 50 dans le microréacteur, la réaction peut être effectuée à des températures plus basses tout en conservant le même rendement de conversion qu'à des températures plus élevées sans la membrane de séparation 50. En d'autres termes, il est possible d'atteindre un rendement de conversion plus élevé tout en conservant la même température de fonctionnement que sans la membrane de séparation 50. Cela présente également un avantage en termes de besoins en chaleur et en énergie, car des températures plus basses suffisent pour faire fonctionner le microréacteur 20 à son point de fonctionnement optimal. De plus, comme mentionné précédemment, lors du fonctionnement avec une membrane de séparation 50, une différence de pression doit être créée entre :
–
le perméat (flux de sortie dans l'espace de purification de l'hydrogène 21b qui contient l'hydrogène pur) et
–
le rétentat (flux de sortie dans l'espace de production d'hydrogène 21a qui contient l'ammoniac non craqué, l'azote généré et l'hydrogène qui n'est pas séparé, car la membrane a un rendement spécifique et il n'est pas possible de récupérer 100 % de l'hydrogène généré). Cette différence de pression à l'intérieur du microréacteur 20 est nécessaire pour garantir un bon fonctionnement permettant de décomposer les molécules d'ammoniac et de séparer celles d'hydrogène. Cette différence de pression constituera le mécanisme principal permettant de séparer les molécules d'hydrogène de celles d'ammoniac et d'azote dans la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21. Ainsi, la création d'une pression optimale dans le microréacteur 20 favorisera le facteur de récupération de l'hydrogène, qui est un paramètre permettant d'évaluer les performances de la membrane.
[0069] Dans ce premier mode de réalisation du microréacteur 20, il s'agit d'un microréacteur avec réaction de craquage de l'ammoniac comprenant une membrane de séparation 50 pour obtenir de l'hydrogène pur ou un gaz hydrogène de haute pureté. L'hydrogène de haute pureté devra répondre aux exigences standard requises pour des applications spécifiques telles que les PEMFC (piles à combustible à membrane échangeuse de protons) afin d'éviter d'endommager ou de dégrader ces systèmes. Le premier mode de réalisation du microréacteur 20 avec fonction de purification de l'hydrogène intégrée est capable de générer de l'hydrogène pur en une seule étape.
[0070] En se référant maintenant aux figures 5A, 5B et 6, on présente une mise en œuvre possible d'un deuxième mode de réalisation d'un microréacteur 20 selon l'invention, sans aucune membrane de séparation. Dans ce cas, la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 se compose uniquement de l'espace de production d'hydrogène 21a , et il n'y a pas d'espace de purification d'hydrogène 21b. Par conséquent, lorsque l'on remplace l'expression „espace de purification d'hydrogène 21b“ par „espace de production d'hydrogène 21a“ dans le texte précédent décrivant le premier mode de réalisation, cela correspond à la description du deuxième mode de réalisation.
[0071] Dans cette situation, le mélange gazeux s'écoulant à la sortie de l'espace de production d'hydrogène ou de la sortie 211 des produits de décomposition de l'ammoniac se divise en deux flux : l'un vers l'entrée 212 de la deuxième chambre de chauffage 22 et un second flux vers l'espace de décharge d'hydrogène 32b en direction de la sortie d'hydrogène 104.
[0072] De plus, en l'absence de purification de l'hydrogène, l'espace de décharge d'hydrogène 32b et la sortie d'hydrogène 104 contiennent un flux gazeux composé d'hydrogène, mais également d'ammoniac non craqué et d'azote résultant de la réaction de décomposition de l'ammoniac. Dans ce cas, la sortie d'hydrogène 104 doit être considérée comme une sortie de „ mélange gazeux” 104 (H<2>+ NH<3>+ N<2>).
[0073] Les couloirs 31 et 32, ainsi que la configuration des canaux 21c, 22c, peuvent être identiques à ceux du premier mode de réalisation, comme le montre la figure 5B.
[0074] Sur les figures 3A, 3B, 5A et 5B, les canaux parallèles 21c, 22c sont rectilignes, mais ils peuvent présenter d'autres formes, telles que des ondulations ou des zigzags.
[0075] Dans la configuration comportant des canaux 21c, 22c dans l'espace de production d'hydrogène 21a et dans la deuxième chambre de chauffage 22, le point de fonctionnement peut être modifié beaucoup plus rapidement, car la réaction est répartie dans des microcanaux empilés, 21c, 22c. Cela permet également de contrôler beaucoup plus facilement le débit, de manière en quelque sorte discontinue. Cela apporte un avantage en termes de flexibilité des points de fonctionnement à différentes puissances pour un même système, en permettant de réduire et d'augmenter le débit d'hydrogène sans entraîner de retards importants dans la réponse du système. Cela diffère des systèmes stationnaires actuels basés sur un volume de réacteur unique, où l'inertie de l'ensemble du système est plus faible car toute la réaction se déroule dans la même chambre, ce qui rend beaucoup plus difficile la modification de l'état du réacteur lorsqu'il fonctionne à une pression, une température et un débit donnés.
[0076] Les microréacteurs 20 décrits précédemment conformément au premier ou au deuxième mode de réalisation peuvent être utilisés dans une configuration empilée pour former un réacteur 100, comme illustré sur les figures 7 à 10.
[0077] Ces microréacteurs 20 (cinq microréacteurs 20 sur la vue éclatée de la figure 7) sont des boîtes plates comportant quatre orifices dans la paroi inférieure 24 et quatre orifices dans la paroi supérieure 25. Plus précisément, il y a deux orifices à l'extrémité de chacun des couloirs 31, 32 pour le même flux de gaz. À savoir, pour chaque extrémité des couloirs 31, 32, il y a un trou ouvrant la paroi inférieure 24 et un trou ouvrant la paroi supérieure 25. Avec cette configuration, lorsque deux microréacteurs adjacents sont empilés, les mêmes trous des deux microréacteurs adjacents sont coaxiaux et superposés et communiquent entre eux de manière étanche, afin de former un conduit continu d'un microréacteur à l'autre. Ces quatre orifices présents dans la paroi supérieure 25 et dans la paroi inférieure 24 de chaque microréacteur 20 constituent l'entrée d'alimentation en ammoniac 102 et la sortie de résidus 106 lorsqu'on considère le premier couloir 31, et l'entrée d'alimentation en air 108 et la sortie d'hydrogène H<2>104 lorsqu'on considère le deuxième couloir 32.
[0078] Avec une telle configuration, certains modes de réalisation du réacteur 100 selon la présente invention peuvent être définis comme un réacteur destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant plusieurs microréacteurs 20 tels que définis précédemment, dans lequel lesdits microréacteurs 20 sont empilés de telle sorte que, si l'on considère une paire de microréacteurs 20 empilés, la deuxième chambre de chauffage 22 de l'un des microréacteurs de la paire 20 se superpose à la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 de l'autre microréacteur de la paire 20, dans lequel l'entrée d'alimentation en ammoniac 102 de tous les microréacteurs 20 est en communication fluidique avec une entrée d'alimentation en ammoniac du réacteur, dans lequel l'entrée d'alimentation en air 108 de tous les microréacteurs 20 est en communication fluidique, et avec une entrée d'alimentation en air du réacteur, dans lequel la sortie d'hydrogène 104 de tous les microréacteurs 20 est en communication fluidique, et avec une sortie d'hydrogène du réacteur, et dans lequel les sorties de résidus 106 de tous les microréacteurs 20 sont en communication fluidique, et avec une sortie de résidus du réacteur.
[0079] Il est donc possible de superposer autant de microréacteurs 20 que nécessaire pour produire le débit d'hydrogène requis pour l'application. Un microréacteur 20 unique comprenant la deuxième chambre de chauffage 22 et la chambre de réaction principale (première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 où l'ammoniac est décomposé et séparé en hydrogène pur) présente un débit maximal spécifique ; par conséquent, pour augmenter l'échelle et répondre à des exigences de puissance élevées, il sera nécessaire d'obtenir des débits plus importants. Ensuite, un nombre spécifique de microréacteurs 20 empilés les uns sur les autres formera le système de réacteur final. De cette manière, il sera possible d'obtenir différentes tailles et capacités pour le réacteur 100 en combinant de petits microréacteurs 20 intégrés ensemble, ce qui facilitera la gestion des différents paramètres des réactions par rapport au cas où la réaction se déroulerait dans une seule chambre de grande taille.
[0080] Grâce à l'intégration de la source de chaleur dans une chambre parallèle au sein du microréacteur (deuxième chambre de chauffage 22), la chaleur peut être transférée de manière plus efficace. De plus, lors de l'empilement des plaques (microréacteurs 20), la configuration ainsi créée permettra potentiellement de réduire les pertes d' s thermiques dans le réacteur 100, ce qui se traduira par une quantité de chaleur disponible plus importante pour un même apport d'énergie. Par conséquent, le système énergétique global aura besoin d'un sous-système chargé de contrôler les flux de masse et les flux d'énergie des différents éléments présents dans les différentes chambres, rendant possible le fonctionnement dynamique du dispositif alimenté en hydrogène, dans des conditions de puissance spécifiques et avec des exigences en hydrogène pur.
[0081] Dans les parties avant des réacteurs 100 illustrés aux figures 8 et 9, respectivement avec et sans membrane de séparation 50, se trouve une chambre supplémentaire 22' superposée à la deuxième chambre de chauffage 22. Comme on le comprend d'après l'explication ci-dessus, la deuxième chambre de chauffage 22 forme un système de chauffage par oxydation catalytique. Lorsqu'il est nécessaire d'apporter davantage de chaleur pour déclencher et/ou maintenir une température suffisante dans l'espace de production d'hydrogène 21a, pendant un certain laps de temps, cette chambre supplémentaire 22' est intégrée au microréacteur 20 et contient un module de chauffage capable de fournir de la chaleur à la chambre supplémentaire 22' et de transférer cette chaleur vers la deuxième chambre de chauffage 22 dont la température peut être élevée ou maintenue à une valeur suffisante pour que la réaction de décomposition (1) se déroule dans l'espace de production d'hydrogène 21a. Un tel module de chauffage peut être un module de chauffage électrique. Alternativement, ce module de chauffage de la chambre supplémentaire 22' peut être un autre type de module de chauffage.
[0082] Les figures 10A et 10B sont des vues du réacteur de la figure 8, respectivement des vues en coupe depuis le dessus de la deuxième chambre de chauffage 22 et depuis le dessus de la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21. Ces figures montrent les entrées et les sorties des différents flux de gaz.
[0083] L'intégration d'un système de chauffage dans le microréacteur 20, via la deuxième chambre de chauffage 22, et éventuellement via la chambre supplémentaire 22' équipée du module de chauffage, permet d'obtenir un réacteur ou un système plus compact. Cela permet de réduire les besoins en énergie et de recycler l'énergie provenant de l'hydrogène non pur et de l'ammoniac non craqué.
[0084] Les figures 11A et 11B illustrent schématiquement une solution possible pour le système organisant la gestion de la chaleur et de l'énergie requises et/ou fournies dans la deuxième chambre de chauffage 22 et la chambre supplémentaire 22' à l'aide d'un module de chauffage électrique. Ces figures montrent une situation dans laquelle le système comprend une pile à combustible utilisant l'hydrogène gazeux produit par la première chambre de décomposition de l'ammoniac 21 ( ) pour convertir l'énergie chimique contenue dans cet hydrogène gazeux en électricité, avec un apport d'oxygène provenant de l'air. Ces figures montrent également les systèmes de régulation des débits régulant les flux gazeux. Cela correspond à un système de chauffage hybride (combinaison d'un brûleur à oxydation catalytique dans la deuxième chambre de chauffage 22 et d'un système de chauffage électrique dans la chambre supplémentaire 22'). Sur la figure 11A, cette solution correspond à la situation où la première chambre de décomposition d'ammoniac 21 générant l'hydrogène comprend une membrane de séparation 50. Sur la figure 11B, cette solution correspond à la situation où la première chambre de décomposition d'ammoniac 21 générant l'hydrogène ne comprend pas de membrane de séparation 50.
[0085] La figure 12 est une autre représentation schématique d'un système possible de production d'énergie intégrant un microréacteur 20 ou un réacteur 100 selon la présente invention, selon le premier mode de réalisation où il existe une membrane de séparation dans la première chambre de décomposition d'ammoniac 21 ou selon le deuxième mode de réalisation où la première chambre de décomposition d'ammoniac 21 générant l'hydrogène ne comprend pas de membrane de séparation. Cet exemple correspond également à un système de chauffage hybride (combinaison d'un brûleur à oxydation catalytique dans la deuxième chambre de chauffage 22 et d'un système de chauffage électrique dans la chambre supplémentaire 22'). Cette figure ne montre aucun dispositif ou module spécifique destiné à l'utilisation du gaz à la sortie 104.
[0086] Les figures 13A et 13B sont des schémas fonctionnels représentant le même système que celui de la figure 12, dans une vue d'ensemble, sans montrer les systèmes de régulation des débits régissant les flux gazeux entre les modules du système. Les figures 13A et 13B montrent également les modules présents dans un système intégré comprenant un microréacteur 20 ou un réacteur 100 tel que décrit ci-dessus. La figure 13A montre en outre l'utilisation du gaz à la sortie 104 du réacteur 100 comme alimentation en gaz pouvant être utilisée pour des applications stationnaires. La figure 13B montre en outre l'utilisation du gaz à la sortie 104 du réacteur 100 comme alimentation en gaz pour un module de groupe motopropulseur (PWT).
[0087] Sur les figures 12, 13A et 13B, le „mélange gazeux“ désigne soit de l'hydrogène pur H<2>si le réacteur 100 est constitué de microréacteurs 20 comprenant une membrane de séparation 50, soit un mélange gazeux si le réacteur 100 est constitué de microréacteurs 20 ne comportant pas de membrane de séparation 50.
[0088] Les figures 11A, 11B, 12, 13A et 13B pourraient être modifiées selon des variantes dans lesquelles il n'y a pas de chambre supplémentaire 22', c'est-à-dire pas de „réchauffeur électrique“, ce qui signifie pas de système de chauffage hybride mais un chauffage uniquement par la deuxième chambre de chauffage 22 correspondant à une oxydation catalytique.
[0089] La figure 14A est un schéma fonctionnel très simplifié de la figure 13A montrant les flux d'énergie entrant dans le réacteur 100, ainsi que l'utilisation du gaz à la sortie 104 du réacteur 100 comme alimentation en gaz. Cette alimentation en gaz peut être utilisée pour des applications stationnaires.
[0090] La figure 14B est un schéma fonctionnel très simplifié de la figure 13B illustrant les flux d'énergie entrant dans le réacteur 100, ainsi que l'utilisation du gaz à la sortie 104 du réacteur 100 comme alimentation en gaz pour un système de groupe motopropulseur (PWT) destiné à une application stationnaire ou mobile.
[0091] Pour les figures 14A et 14B, ce gaz est soit une source d'hydrogène lorsque le réacteur 100 contient une membrane de séparation, soit un mélange gazeux (hydrogène, ammoniac et azote) lorsque le réacteur 100 ne contient pas de membrane de séparation.
[0092] Dans le cadre de la présente invention, l'une ou plusieurs des dispositions suivantes peuvent être mises en œuvre pour un tel système de production d'énergie à partir d'hydrogène :
–
le système comprend en outre un réservoir d'ammoniac en communication fluidique avec l'entrée d'alimentation en ammoniac dudit réacteur, ainsi qu'un premier échangeur de chaleur situé entre ledit réservoir d'ammoniac et l'entrée d'alimentation en ammoniac dudit réacteur, capable d'apporter de la chaleur à l'ammoniac s'écoulant dudit réservoir d'ammoniac vers l'entrée d'alimentation en ammoniac dudit réacteur, ladite chaleur étant fournie par le flux de gaz provenant de la sortie d'hydrogène du réacteur.
–
le système comprend en outre une unité de stockage d'hydrogène en communication fluidique avec la sortie d'hydrogène H<2>de la première chambre de décomposition de l'ammoniac.
–
le système comprend en outre un deuxième échangeur de chaleur entre ledit réservoir d'ammoniac et l'entrée d'alimentation en ammoniac dudit réacteur, capable d'apporter de la chaleur à l'ammoniac s'écoulant dudit réservoir d'ammoniac vers l'entrée d'alimentation en ammoniac dudit réacteur, ladite chaleur étant fournie par une source d'énergie thermique externe. Cette source d'énergie thermique externe peut être toute chaleur disponible provenant de l'application fixe/embarquée et ne provenant pas du groupe motopropulseur.
*Exemple pour une application fixe : réacteur utilisé pour produire de l'hydrogène destiné à un processus industriel d' , où de la chaleur est disponible à partir d'autres processus et pourrait être récupérée et recyclée vers le réacteur afin de réduire la quantité de chaleur devant être produite dans la deuxième chambre de chauffage.
*Exemple d'application embarquée : réacteur utilisé dans un navire porteconteneurs pour produire de l'hydrogène, et de la chaleur est disponible à partir d'autres processus ou des systèmes auxiliaires du navire. Par conséquent, la récupération de cette chaleur permet de réduire les besoins en chaleur d'entrée.
–
le système comprend en outre un groupe motopropulseur alimenté par l'hydrogène généré par le réacteur et convertissant ledit hydrogène en énergie cinétique ou en énergie électrique. Ce groupe motopropulseur peut comprendre un moteur à combustion interne à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie cinétique. Ce groupe motopropulseur peut comprendre une pile à combustible à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie électrique. L'énergie électrique générée par ladite pile à combustible peut être fournie à au moins l'un des dispositifs suivants : un moteur, une unité d'entraînement, une batterie électrique d'un véhicule mobile.
–
le réacteur peut être configuré de manière à pouvoir être monté sur un véhicule, y compris un véhicule terrestre, tel qu'une voiture particulière ou un poids lourd, un véhicule aérien, un véhicule aquatique ou maritime.
–
le système comprend en outre soit un moteur à combustion interne à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie cinétique et une dynamo convertissant ladite énergie cinétique en énergie électrique, soit une pile à combustible à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie électrique, dans lequel ladite énergie électrique alimente un moteur, une unité d'entraînement, une batterie électrique, une batterie électrique d'un véhicule mobile, un dispositif informatique, des dispositifs de télécommunication, un dispositif de stockage.
Références utilisées dans les figures
[0093] 20 Microréacteur 21 Première chambre de décomposition de l'ammoniac 21a Espace de production d'hydrogène 21b Espace de purification de l'hydrogène 21c Canaux 21d Cloisons de séparation 211 Sortie de l'espace de production d'hydrogène (sortie des produits de décomposition de l'ammoniac) 212 Entrée de la deuxième chambre de chauffage 22 213 Chambre communicante 213a Paroi de séparation 214 Sortie de l'espace de purification de l'hydrogène 22 Deuxième chambre de chauffage 22c Canaux 22d Parois de séparation 22' Chambre supplémentaire avec module de chauffage 23 Paroi de séparation de la chambre 24 Paroi inférieure 25 Paroi supérieure 25 26 Premier côté du microréacteur 27 Deuxième face du microréacteur, opposée à la première face 31 Premier couloir 31a Compartiment d'alimentation en ammoniac 31b Local de rejet des résidus 31c Cloison de séparation 32 Deuxième couloir 32a Espace d'alimentation en air 32b Espace de décharge d'hydrogène 32c Paroi de séparation 50 Membrane de séparation 51 Catalyseur 100 Réacteur 102 Entrée d'alimentation en ammoniac 104 Sortie d'hydrogène H2 106 Sortie des résidus 108 Entrée d'alimentation en air A1 Flèche

Claims (34)

1. Microréacteur (20) destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant deux chambres de réaction en communication fluidique l'une avec l'autre, lesdites première et deuxième chambres de réaction étant formées par – une première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) contenant un catalyseur de craquage, et – une deuxième chambre de chauffage (22), * ledit microréacteur (20) comportant une entrée d'alimentation en ammoniac (102) reliée à ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) et une entrée d'alimentation en air (108) reliée à ladite entrée de la deuxième chambre de chauffage, * ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) comportant une sortie d'hydrogène (104) destinée à évacuer l'hydrogène généré et une sortie de produits de décomposition de l'ammoniac (211), * ladite deuxième chambre de chauffage (22) comportant une entrée de deuxième chambre de chauffage (212) en communication fluidique avec la sortie des produits de décomposition de l'ammoniac (211), et une sortie de résidus (106) destinée à évacuer les résidus hors du microréacteur (20).
2. Microréacteur (20) selon la revendication 1, dans lequel * ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) étant divisée par une membrane de séparation (50) en deux espaces adjacents, formant respectivement un espace de production d'hydrogène (21a) contenant ledit catalyseur de craquage, et un espace de purification d'hydrogène (21b), * ladite membrane de séparation (50) étant capable de filtrer les éléments contenus dans ledit espace de production d'hydrogène de manière à laisser l'hydrogène passer à travers ladite membrane de séparation (50) dans ledit espace de purification d'hydrogène (21a), dans lequel ladite entrée d'alimentation en ammoniac (102) est reliée audit espace de production d'hydrogène, dans lequel ladite sortie d'hydrogène (104) de ladite première chambre de décomposition d'ammoniac (21) est reliée audit espace de purification d'hydrogène (21a), dans lequel ladite sortie des produits de décomposition de l'ammoniac est reliée audit espace de production d'hydrogène.
3. Microréacteur (20) selon la revendication 2, agencé de telle sorte qu'il existe une différence de pression d'au moins 100 000 Pa (1 bar) entre ledit espace de production d'hydrogène (21b) et ledit espace de purification d'hydrogène (21a), la pression dans ledit espace de purification d'hydrogène (21a) étant inférieure à la pression dans ledit espace de production d'hydrogène.
4. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel il comprend en outre un système de chauffage agencé de telle sorte qu'une certaine quantité de chaleur puisse être apportée audit espace de production d'hydrogène, ce qui permet de déclencher et de maintenir la réaction de craquage de l'ammoniac.
5. Microréacteur (20) selon la revendication précédente, dans lequel le système de chauffage permet d'obtenir une température comprise entre 200 °C et 800 °C dans ledit espace de production d'hydrogène, ladite température dans ledit espace de production d'hydrogène (21b) étant de préférence comprise entre 400 °C et 800 °C.
6. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) et ladite deuxième chambre de chauffage (22) sont divisées en canaux parallèles séparés les uns des autres et s'étendant d'un premier côté du microréacteur (20) à un deuxième côté du microréacteur (20) opposé au premier côté.
7. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) et ladite deuxième chambre de chauffage (22) forment deux chambres réactives adjacentes séparées par une paroi de séparation commune qui permet à la chaleur générée dans ladite deuxième chambre de chauffage (22) d'être transférée par ladite paroi de séparation vers ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21), fournissant ainsi de la chaleur à la réaction de craquage de l'ammoniac qui se déroule dans l'espace de production d'hydrogène (21b).
8. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ledit catalyseur de craquage comprend un support et au moins un métal choisi parmi le ruthénium, le nickel, le rhodium, l'iridium, le cobalt, le fer, le platine, le chrome, le palladium, le molybdène, le tantale, le cuivre, le manganèse et l'argent, ou le Ce<2>O<3>.
9. Microréacteur (20) selon la revendication précédente, dans lequel ledit catalyseur de craquage est activé par au moins un métal choisi parmi Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Sm et Gd, ou par au moins un des groupes de matériaux suivants : carbures et nitrures de métaux de transition, amides et imides de métaux alcalino-terreux, et hydrures métalliques complexes, notamment NaAlH<4>, LiAlH<4>, Mg(BH<4>)<2>.
10. Microréacteur (20) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le support comprend au moins un matériau choisi parmi Al<2>O<3>, MgO, CeO<2>, ZrO<2>, La<2>O<3>, SiO<2>, Y<2>O<3>, TiO, TiO<2>, SiC, BN hexagonal (nitrure de bore), nanotubes de BN, carbure de silicium, une ou plusieurs zéolites, LaAlO<3>, CeAlO<3>, MgAl<2>O<4>, CaAl<2>O<4>, un ou plusieurs nanotubes de carbone, une ou plusieurs fibres de carbone, du charbon actif, de la silice mésoporeuse et du graphène.
11. Microréacteur (20) selon la revendication 2, dans lequel ladite membrane de séparation (50) est une membrane perméable à l' e de H<2>fabriquée à partir d'un matériau à base de palladium, tel que Pd-Cu, Pd-Au ou Pd-Ag, ou constituée d'un matériau polymère figurant dans la liste suivante : polysulfones, caoutchoucs de silicone, poly(chlorure de vinyle), caoutchoucs naturels, polycarbonates et polystyrènes, ou constituée d'une céramique poreuse, telle qu'un matériau céramique à base de Pd, ou telle que des oxydes poreux comprenant Al<2>O<3>ou ZrO<2>, ou fabriquée à partir d'un alliage à base de nickel, d'un acier inoxydable poreux, de Ni-Nb-Zr, ou à partir d'acide sulfonique perfluoré, de polybenzimidazole ou d'oxydes conducteurs de protons, notamment SrCe<0,95>Yb<0,05>O<3-a>, BaCe<0,90>Nd<0,10>O<3-a>et SrZr<0,5>Ce<0,4>Y<0,1>O<3-a>, où a désigne la quantité de lacunes d'oxygène.
12. Microréacteur (20) selon la revendication 2, dans lequel ladite membrane de séparation (50) est une membrane à fibres creuses.
13. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, dans lequel ladite membrane de séparation (50) est associée à un support poreux, formant ainsi une membrane sur support.
14. Microréacteur (20) selon la revendication 13, dans lequel ledit support poreux associé à ladite membrane de séparation (50) est à base de l'un des matériaux suivants : Al<2>O<3>, acier inoxydable, métal, verre, céramique, zéolite et polymère organique, ou un mélange de ceux-ci.
15. Microréacteur (20) selon la revendication 13 ou 14, dans lequel ladite membrane de séparation (50) est en outre associée à une couche intermédiaire à base de l'un des matériaux suivants : céramique, oxyde de vanadium, nickel et nitrure.
16. Microréacteur (20) selon la revendication 2, dans lequel ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) et ladite deuxième chambre de chauffage (22) d' s sont des chambres de réaction de forme plate, parallèles l'une à l'autre et séparées par une paroi commune, et dans lequel ledit espace de purification de l'hydrogène (21a) et ledit espace de production d'hydrogène (21b) forment deux espaces superposés, parallèles l'un à l'autre et à ladite deuxième chambre de chauffage (22).
17. Microréacteur (20) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend, le long de deux côtés opposés desdites chambres réactives, un couloir destiné à l'échange gazeux avec lesdites chambres réactives, dans lequel : – un premier couloir (31) comprend ladite entrée d'alimentation en ammoniac (102) qui communique uniquement avec ledit espace de production d'hydrogène (21a), et ladite sortie de résidus (106) qui communique uniquement avec ladite deuxième chambre de chauffage (22) , et – un deuxième passage (32) comprend ladite entrée d'alimentation en air (108) communiquant avec ladite deuxième chambre de chauffage (22) et sans communication avec la première chambre de décomposition de l'ammoniac (21), et ladite sortie d'hydrogène (104) qui communique uniquement avec ledit espace de purification de l'hydrogène (21a) .
18. Microréacteur (20) selon la revendication 17, dans lequel ledit deuxième couloir comporte une paroi de séparation espacée de ladite deuxième chambre de chauffage (22) par un espace de communication situé entre ladite sortie des produits de décomposition de l'ammoniac (211) dudit espace de production d'hydrogène (21a) et ladite entrée de ladite deuxième chambre de chauffage (22).
19. Microréacteur (20) selon la revendication 17, dans lequel ladite première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) et ladite deuxième chambre de chauffage (22) sont divisées en canaux parallèles séparés les uns des autres et s'étendant entre ledit premier couloir (31) et ledit deuxième couloir (32).
20. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans lequel ladite entrée d'alimentation en air (108) est reliée à ladite entrée de la deuxième chambre de chauffage (212) à proximité de ladite sortie des produits de décomposition de l'ammoniac (211).
21. Microréacteur (20) selon la revendication 2, dans lequel ledit espace de purification de l'hydrogène (21a) est en outre capable de contenir une partie de l'azote généré résultant de la décomposition de l'ammoniac, et ayant traversé ladite membrane de séparation (50), et dans lequel ladite sortie d'hydrogène (104) est capable d'évacuer l'hydrogène généré et l'azote généré contenus dans ledit espace de purification de l'hydrogène (21a).
22. Microréacteur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, dans lequel il comprend en outre une chambre supplémentaire (22') superposée à la deuxième chambre de chauffage (22) et contenant un module de chauffage capable de fournir de la chaleur à la chambre supplémentaire (22') et de transférer la chaleur de celle-ci vers la deuxième chambre de chauffage (22).
23. Microréacteur (20) selon la revendication 22, dans lequel ledit module de chauffage est un élément chauffant électrique.
24. Réacteur (100) destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant plusieurs microréacteurs (20) selon les revendications 1 à 23.
25. Réacteur (100) destiné à la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, comprenant plusieurs microréacteurs (20) selon la revendication 7, dans lequel lesdits microréacteurs (20) sont empilés de telle sorte que, si l'on considère une paire de microréacteurs (20) empilés, la deuxième chambre de chauffage (22) de l'un des microréacteurs (20) de la paire se superpose à la première chambre de décomposition de l'ammoniac (21) de l'autre microréacteur (20) de la paire, dans lequel les entrées d'alimentation en ammoniac (102) de tous les microréacteurs (20) sont en communication fluidique entre elles et avec une entrée d'alimentation en ammoniac (102) du réacteur (100), dans lequel les entrées d'alimentation en air (108) de tous les microréacteurs (20) sont en communication fluidique entre elles, ainsi qu'avec une entrée d'alimentation en air (108) du réacteur, dans lequel les sorties d'hydrogène (104) de tous les microréacteurs (20) sont en communication fluidique, et avec une sortie d'hydrogène de réacteur (104), et dans lequel les sorties de résidus de tous les microréacteurs (20) sont en communication fluidique, et avec une sortie de résidus de réacteur (106).
26. Système de production d'énergie à partir d'hydrogène, comprenant un réacteur (100) tel que défini dans l'une quelconque des revendications 24 à 25 et destiné à fournir de l'hydrogène, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : – un réservoir d'ammoniac en communication fluidique avec l'entrée d'alimentation en ammoniac (102) dudit réacteur (100), –- un premier échangeur de chaleur situé entre ledit réservoir d'ammoniac et l'entrée d'alimentation en ammoniac (102) dudit réacteur (100), capable d'apporter de la chaleur à l'ammoniac s'écoulant dudit réservoir d'ammoniac vers l'entrée d'alimentation en ammoniac (102) dudit réacteur (100), ladite chaleur étant fournie par le flux de gaz provenant de la sortie d'hydrogène (104) du réacteur.
27. Système de production d'énergie à partir d'hydrogène fourni par un réacteur (100) tel que défini dans la revendication 24 ou 25, comprenant en outre une unité de stockage d'hydrogène en communication fluidique avec la sortie d'hydrogène H<2>de la première chambre de décomposition d'ammoniac (21).
28. Système de production d'énergie selon la revendication 26 ou 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : – un deuxième échangeur de chaleur situé entre ledit réservoir d'ammoniac et l'entrée d'alimentation en ammoniac (102) dudit réacteur (100), capable d'apporter de la chaleur à l'ammoniac s'écoulant dudit réservoir d'ammoniac vers l'entrée d'alimentation en ammoniac (102) dudit réacteur (100), ladite chaleur étant fournie par une source d'énergie thermique externe.
29. Système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 26 à 28, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : – un groupe motopropulseur alimenté par l'hydrogène généré par le réacteur (100) et convertissant ledit hydrogène en énergie cinétique ou en énergie électrique.
30. Système de production d'énergie selon la revendication 29, dans lequel ledit groupe motopropulseur comprend un moteur à combustion interne à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie cinétique.
31. Système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 26 à 28, dans lequel ledit groupe motopropulseur comprend une pile à combustible à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie électrique.
32. Système de production d'énergie selon la revendication 31, dans lequel l'électricité produite par ladite pile à combustible est fournie à au moins l'un des dispositifs suivants : un moteur, une unité d'entraînement, une batterie électrique d'un véhicule mobile.
33. Système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 26 à 32, dans lequel ledit réacteur (100) est configuré pour pouvoir être monté sur un véhicule, y compris un véhicule terrestre, tel qu'un véhicule de tourisme ou un poids lourd, un véhicule aérien, un véhicule aquatique ou maritime.
34. Système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 26 à 33, comprenant en outre soit un moteur à combustion interne à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie cinétique et une dynamo convertissant ladite énergie cinétique en énergie électrique, soit une pile à combustible à hydrogène convertissant ledit hydrogène en énergie électrique, dans lequel ladite énergie électrique alimente l'un quelconque des éléments suivants : un moteur, une unité d'entraînement, une batterie électrique, une batterie électrique d'un véhicule mobile, un dispositif informatique, un dispositif de télécommunication, un dispositif de stockage.
CH001394/2024A 2024-12-16 2024-12-16 Microréacteur et réacteur pour la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, ainsi que système de production d'énergie CH722402A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH001394/2024A CH722402A1 (fr) 2024-12-16 2024-12-16 Microréacteur et réacteur pour la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, ainsi que système de production d'énergie
PCT/IB2025/062954 WO2026133128A1 (fr) 2024-12-16 2025-12-16 Microréacteur et réacteur pour la décomposition d'ammoniac en hydrogène

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH001394/2024A CH722402A1 (fr) 2024-12-16 2024-12-16 Microréacteur et réacteur pour la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, ainsi que système de production d'énergie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CH722402A1 true CH722402A1 (fr) 2026-06-30

Family

ID=96061063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CH001394/2024A CH722402A1 (fr) 2024-12-16 2024-12-16 Microréacteur et réacteur pour la décomposition de l'ammoniac en hydrogène, ainsi que système de production d'énergie

Country Status (2)

Country Link
CH (1) CH722402A1 (fr)
WO (1) WO2026133128A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002086987A2 (fr) * 2001-04-23 2002-10-31 Mesosystems Technology, Inc. Generateur d'hydrogene et son procede d'utilisation
WO2008024089A2 (fr) * 2005-04-18 2008-02-28 Intelligent Energy, Inc. Appareil de production d'hydrogène et procédé d'utilisation associé
US11724245B2 (en) * 2021-08-13 2023-08-15 Amogy Inc. Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002086987A2 (fr) * 2001-04-23 2002-10-31 Mesosystems Technology, Inc. Generateur d'hydrogene et son procede d'utilisation
WO2008024089A2 (fr) * 2005-04-18 2008-02-28 Intelligent Energy, Inc. Appareil de production d'hydrogène et procédé d'utilisation associé
US11724245B2 (en) * 2021-08-13 2023-08-15 Amogy Inc. Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIM J H ET AL: "Hydrogen production from burning and reforming of ammonia in a microreforming system", ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, OXFORD, GB, vol. 56, 1 December 2011 (2011-12-01), pages 184 - 191, XP028438997, ISSN: 0196-8904, [retrieved on 20111212], DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2011.12.005 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2026133128A1 (fr) 2026-06-25

Legal Events

Date Code Title Description
Q12 Application published

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-Q10-Q12 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20260630