OA21927A - Ionic conductive membrane, method of manufacturing such a membrane. - Google Patents
Ionic conductive membrane, method of manufacturing such a membrane.Info
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Abstract
L'invention concerne une membrane conductrice ionique pour un dispositif électrochimique, membrane comprenant une couche d'un matériau comprenant une céramique, membrane caractérisée en ce que la dite céramique comprend du Carbure de Bore (B4C). L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une membrane et une cellule pour un dispositif électrochimique. Application à l'électrolyse de l'eau.The invention relates to an ionic conductive membrane for an electrochemical device, membrane comprising a layer of a material comprising a ceramic, membrane characterized in that said ceramic comprises Boron Carbide (B4C). The invention also relates to a method for manufacturing a membrane and a cell for an electrochemical device. Application to the electrolysis of water.
Description
DESCRIPTIONDESCRIPTION
Titre de l’invention : Membrane conductrice ionique, procédé de fabrication d'une telle membrane, cellule comprenant une telle membrane et installation comprenant une telle celluleTitle of the invention: Ionic conductive membrane, method of manufacturing such a membrane, cell comprising such a membrane and installation comprising such a cell
Domaine TechniqueTechnical Field
L'invention concerne les membranes conductrices ioniques telles que celles utilisées notamment, mais non exclusivement, dans les électrolyseurs.The invention relates to ionic conductive membranes such as those used in particular, but not exclusively, in electrolysers.
Le document DI = FR2916906 décrit différents types de membranes à base de céramique, notamment des membranes comprenant du nitrure de Bore. Lorsqu'elles sont utilisées pour l'électrolyse de l'eau, de telles membranes participent à l'activation des réactions chimiques et permettent d'obtenir des gaz Hydrogène et Oxygène plus purs.Document DI = FR2916906 describes different types of ceramic-based membranes, including membranes containing boron nitride. When used for water electrolysis, such membranes help activate chemical reactions and produce purer hydrogen and oxygen gases.
Description de l'inventionDescription of the invention
L'invention propose une nouvelle membrane, aux propriétés de conduction ionique améliorées, et aux caractéristiques chimiques, mécaniques et conductrices améliorées par rapport aux membranes décrites dans le document Dl.The invention provides a new membrane, with improved ionic conduction properties, and with improved chemical, mechanical and conductive characteristics compared to the membranes described in document D1.
Plus particulièrement, l'invention propose une membrane conductrice ionique pour un dispositif électrochimique, membrane comprenant une couche d’un matériau comprenant une céramique, caractérisée en ce que la dite céramique comprend du Carbure de Bore (B4C).More particularly, the invention provides an ionic conductive membrane for an electrochemical device, membrane comprising a layer of a material comprising a ceramic, characterized in that said ceramic comprises Boron Carbide (B4C).
Le Carbure de Bore est une céramique qui possède des liaisons moléculaires multipolaires, elle permet ainsi de réaliser une membrane ayant une bonne conductivité. La membrane comprenant du Carbure de Bore présente de plus une plus grande résistance chimique, notamment en milieu basique. La longévité de la membrane est améliorée pour atteindre une durée de vie de l'ordre de 4 à 5 ans en milieu corrosif (par exemple dans de l'hydroxyde de potassium), conforme aux exigences actuelles pour des applications d'électrolyse de l’eau dans un milieu Alcalin notamment. Egalement pour des applications d'électrolyse de l'eau, avec une membrane comprenant du Carbure de Bore, le phénomène de traversée de la membrane par les gaz H2 dissous dans l'eau (phénomène connu sous le nom de « crossover ») est moindre qu’avec les membranes connues, ce qui permet d'obtenir des gaz plus purs.Boron Carbide is a ceramic that has multipolar molecular bonds, thus making it possible to produce a membrane with good conductivity. The membrane comprising Boron Carbide also has greater chemical resistance, particularly in basic environments. The longevity of the membrane is improved to achieve a lifespan of around 4 to 5 years in corrosive environments (for example in potassium hydroxide), in accordance with current requirements for water electrolysis applications in an alkaline environment in particular. Also for water electrolysis applications, with a membrane comprising Boron Carbide, the phenomenon of H2 gases dissolved in the water passing through the membrane (a phenomenon known as "crossover") is less than with known membranes, which makes it possible to obtain purer gases.
Le matériau comprend de préférence :The material preferably comprises:
- 60 à 95 % en masse de céramique en poudre, céramique comprenant du Carbure de Bore, et- 60 to 95% by mass of powdered ceramic, ceramic comprising Boron Carbide, and
- 5 à 40 % d'un liant polymère.- 5 to 40% of a polymer binder.
Le liant polymère assure la liaison entre les particules de la poudre de céramique. Le liant permet également d’obtenir une membrane imperméable aux gaz, notamment à l’hydrogène. Le phénomène de crossover est encore atténué.The polymer binder provides the bond between the particles of the ceramic powder. The binder also makes it possible to obtain a membrane impermeable to gases, particularly hydrogen. The crossover phenomenon is further reduced.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une membrane ainsi qu’une cellule électrochimique comprenant une membrane telle que décrite ci-dessus.The invention also relates to a method of manufacturing a membrane as well as an electrochemical cell comprising a membrane as described above.
L'invention concerne enfin une installation d'électrolyse de l'eau comprenant au moins une cellule électrochimique telle que décrite ci-dessus.The invention finally relates to a water electrolysis installation comprising at least one electrochemical cell as described above.
Brève description des figuresBrief description of the figures
L’invention sera mieux comprise, et d’autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de mises en oeuvre de l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :The invention will be better understood, and other characteristics and advantages of the invention will appear in the light of the following description of examples of implementations of the invention. These examples are given without limitation. The description should be read in conjunction with the appended drawings in which:
- [Fig. I] montre une cellule adaptée pour une application d’électrolyse de l'eau- [Fig. I] shows a cell suitable for water electrolysis application
- [Fig. 2] montre un schéma simplifié d’un électrolyseur d'eau.- [Fig. 2] shows a simplified diagram of a water electrolyzer.
Description détaillée de modes de réalisation de l’inventionDetailed description of embodiments of the invention
Comme dit précédemment, l'invention concerne une membrane conductrice ionique pour un dispositif électrochimique, membrane comprenant une couche d'un matériau comprenant une céramique, caractérisée en ce que la dite céramique comprend du Carbure de Bore (B4C).As previously stated, the invention relates to an ionic conductive membrane for an electrochemical device, membrane comprising a layer of a material comprising a ceramic, characterized in that said ceramic comprises Boron Carbide (B4C).
Le matériau comprend de préférence :The material preferably comprises:
- 60 à 95 % en masse de céramique en poudre comprenant du Carbure de Bore, et - 5 à 40 % en masse d'un liant polymère.- 60 to 95% by mass of powdered ceramic comprising Boron Carbide, and - 5 to 40% by mass of a polymer binder.
La poudre céramique peut être de la poudre de Carbure de Bore pur. La poudre céramique peut encore être un mélange de poudre de Carbure de Bore et de poudre de Nitrurc de Bore. La présence de Nitrure e Bore permet d'améliorer le procédé de fabrication d'une membrane car le Nitrure de Bore a une affinité de liaison plus grande avec les liants polymères. Le Nitrure de Bore est en outre un lubrifiant sec qui facilite la mise en oeuvre de la membrane et peut lui conférer plus de souplesse sur le plan mécanique. Pour conserver les propriétés chimiques et de tenue dans le temps des membranes au Carbure de Bore, le Nitrure de Bore doit toutefois être limité. Ainsi, parmi les membranes réalisées à partir d'un mélange de poudre, les membranes les plus efficaces ont été obtenues pour une quantité de Carbure de Bore supérieure, en masse, à une quantité de Nitrure de Bore.The ceramic powder can be pure Boron Carbide powder. The ceramic powder can also be a mixture of Boron Carbide powder and Boron Nitride powder. The presence of Boron Nitride improves the membrane manufacturing process because Boron Nitride has a greater binding affinity with polymer binders. Boron Nitride is also a dry lubricant that facilitates the implementation of the membrane and can give it more mechanical flexibility. To maintain the chemical and durability properties of Boron Carbide membranes, however, the Boron Nitride must be limited. Thus, among the membranes made from a powder mixture, the most effective membranes were obtained for a quantity of Boron Carbide greater, by mass, than a quantity of Boron Nitride.
Le liant polymère utilisé peut être :The polymer binder used can be:
- un polytétrafluoroéthylène (PTFE), ou- a polytetrafluoroethylene (PTFE), or
- un polyéther sulfone (PES), ou- a polyether sulfone (PES), or
- un dérivé du polyéther sulfone tel qu'un polyether sulfone sulfoné (PESS) ou un polyether sulfone amine chloré (PESS-C1-NH2), ou- a polyether sulfone derivative such as a sulfonated polyether sulfone (PESS) or a chlorinated polyether sulfone amine (PESS-C1-NH2), or
- un mélange de polytétrafluoroéthylène (PTFE), de polyéther sulfone (PES) et / ou d'un dérivé du polyéther sulfone.- a mixture of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyether sulfone (PES) and/or a polyether sulfone derivative.
Avec un liant polymère de type polytétrafluoroéthylène (PTFE), les meilleurs résultats ont été obtenus avec une quantité de liant comprise entre 5% et 25% en masse (du matériau fini). Le PTFE est choisi pour sa tenue exceptionnelle face aux agents fortement oxydants comme l’oxygène pur sous pression.With a polytetrafluoroethylene (PTFE) polymer binder, the best results were obtained with a binder quantity of between 5% and 25% by mass (of the finished material). PTFE is chosen for its exceptional resistance to strongly oxidizing agents such as pure oxygen under pressure.
Avec un liant polymère de type polyéther sulfone (PES), de type dérivé du polyéther sulfone tel qu'un polyether sulfone sulfoné (PESS) ou un polyether sulfone aminé chloré (PESS-C1-NH2), ou un mélange de polymères comprenant du polytétrafluoroéthylène (PTFE), du polyéther sulfone (PES) et / ou un dérivé du polyéther sulfone, les meilleurs résultats ont été obtenus avec une quantité de liant comprise entre 15% et 40% en masse (du matériau fini). Le PES et ses dérivés sont choisis pour leur meilleure adaptation pour des procédés de fabrication de membrane à grande échelle. Pour réaliser une membrane telle que décrite ci-dessus, un procédé selon l'invention comprend essentiellement les étapes suivantes :With a polymer binder of the polyether sulfone (PES) type, of a polyether sulfone derivative type such as a sulfonated polyether sulfone (PESS) or a chlorinated amino polyether sulfone (PESS-C1-NH2), or a polymer blend comprising polytetrafluoroethylene (PTFE), polyether sulfone (PES) and/or a polyether sulfone derivative, the best results have been obtained with a binder quantity of between 15% and 40% by mass (of the finished material). PES and its derivatives are chosen for their best suitability for large-scale membrane manufacturing processes. To produce a membrane as described above, a process according to the invention essentially comprises the following steps:
- une étape d'activation par dispersion d’une quantité de poudre de céramique dans une solution basique, par exemple une solution d'hydroxyde de potassium KOH, et- an activation step by dispersing a quantity of ceramic powder in a basic solution, for example a potassium hydroxide KOH solution, and
- une étape d'ajout dans la solution d’un polymère liant, en quantité comprise entre 5 et 40 % en masse.- a step of adding a binding polymer to the solution, in an amount between 5 and 40% by mass.
Au cours de l'étape d'activation, la solution est agitée de l H à 24H. L’étape d'activation par trempage dans une solution basique permet d'éliminer les liaisons moléculaires polluantes sur les liaisons pendantes des molécules des particules de poudre de céramique. L'utilisation d'un milieu basique permet d'obtenir une membrane plus résistante chimiquement, avec ainsi une durée d'utilisation de la membrane plus importante, plus compatible avec les exigences actuelles de résistance de 4 à 5 ans en milieu corrosif pour des applications telles que l’hydrolyse de l'eau.During the activation step, the solution is stirred for 1 H to 24 H. The activation step by soaking in a basic solution eliminates the polluting molecular bonds on the dangling bonds of the molecules of the ceramic powder particles. The use of a basic medium makes it possible to obtain a more chemically resistant membrane, thus providing a longer membrane service life, more compatible with current resistance requirements of 4 to 5 years in corrosive environments for applications such as water hydrolysis.
L'ajout du polymère liant permet de lier les particules de poudre pour former une membrane sans porosité ouverte, imperméable au gaz H2 dissous dans l’eau de l'électrolyte.The addition of the binder polymer allows the powder particles to be bound together to form a membrane without open porosity, impermeable to H2 gas dissolved in the electrolyte water.
Selon le liant polymère utilisé et la quantité de liant utilisé, le mélange du liant polymère peut être réalisé par agitation durant quelques minutes à quelques heures. Egalement, le mélange peut être réalisé sous atmosphère tempérée autour de 40° à 60° pour faciliter le mélange.Depending on the polymer binder used and the quantity of binder used, the mixing of the polymer binder can be carried out by stirring for a few minutes to a few hours. Also, the mixing can be carried out in a temperate atmosphere around 40° to 60° to facilitate mixing.
Le procédé peut encore comprendre une étape de mise en forme du mélange.The process may also include a step of shaping the mixture.
Selon un mode de réalisation, notamment dans le cas d'un mélange comprenant du PES, l’étape de mise en tonne peut comprendre une étape de coulée du mélange sur un support, par exemple une plaque de verre. Si nécessaire pour faciliter la coulée, l'étape de coulée peut être précédée d'une étape d'ajout d'un solvant tel que de l'eau ou de l'éthanol, pour ajuster la viscosité du mélange et rendre le mélange suffisamment liquide pour pennette la coulée. L'étape de mise en tonne peut être ensuite suivie d'une étape de séchage pour éliminer le solvant et former le réseau de polymère (réticulation). Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour la fabrication de membrane à grande échelle.According to one embodiment, in particular in the case of a mixture comprising PES, the tumbling step may comprise a step of casting the mixture onto a support, for example a glass plate. If necessary to facilitate casting, the casting step may be preceded by a step of adding a solvent such as water or ethanol, to adjust the viscosity of the mixture and make the mixture sufficiently liquid to allow casting. The tumbling step may then be followed by a drying step to remove the solvent and form the polymer network (crosslinking). This embodiment is particularly suitable for large-scale membrane manufacturing.
Selon un autre mode de réalisation, notamment dans le cas d'un mélange comprenant du PTFE, l'étape de mise en tonne peut comprendre une ou plusieurs étapes de feuilletage, chaque étape de feuilletage comprenant une étape de laminage et une étape de pliage réalisées successivement. La ou les étapes de feuilletage permettent de plier et relier les longues chaînes carbonées du liant polymère PTFE de sorte à former un réseau à l'intérieur duquel les particules de poudre de céramique sont piégées. Selon la consistance du mélange, la ou les étapes de feuilletage peuvent être précédées d'une étape de filtrage et / ou d'une étape de séchage pour obtenir une pâte, souple mais non liquide.According to another embodiment, in particular in the case of a mixture comprising PTFE, the tonning step may comprise one or more lamination steps, each lamination step comprising a rolling step and a folding step carried out successively. The lamination step(s) make it possible to fold and connect the long carbon chains of the PTFE polymer binder so as to form a network inside which the ceramic powder particles are trapped. Depending on the consistency of the mixture, the lamination step(s) may be preceded by a filtering step and/or a drying step to obtain a paste, which is flexible but not liquid.
Selon un autre mode de réalisation encore, l'étape de mise en forme du mélange peut comprendre une étape d'extrusion à chaud du mélange, à une température de l'ordre de 120° à 180°, préférentiellement 150°. Si nécessaire, l'étape d'extrusion peut être suivie d'une étape de feuilletage.According to yet another embodiment, the step of shaping the mixture may comprise a step of hot extrusion of the mixture, at a temperature of the order of 120° to 180°, preferably 150°. If necessary, the extrusion step may be followed by a lamination step.
Enfin, en particulier si une membrane plane est recherchée, le procédé peut comprendre une étape finale de laminage.Finally, particularly if a flat membrane is desired, the process may include a final rolling step.
A titre d'exemple, les membranes utilisées dans les installations d'électrolysc de l’eau ont généralement une épaisseur de l'ordre de 0,2 mm à 0,4 mm.For example, the membranes used in water electrolysis installations generally have a thickness of around 0.2 mm to 0.4 mm.
La membrane selon l'invention telle que décrite ci-dessus peut être utilisée pour réaliser une cellule électrochimique comprenant notammentThe membrane according to the invention as described above can be used to produce an electrochemical cell comprising in particular
- une anode 30- a 30 anode
II
- une cathode 20, et- a cathode 20, and
- entre l'anode et la cathode, une membrane l 0 telle que décrite ci-dessus.- between the anode and the cathode, a membrane l 0 as described above.
La figure l montre un schéma d'une cellule connue pour installation d'électrolyse de l'eau en vue de la production d'Hydrogène H2 et d'Oxygène 02 gazeux. La figure 2 montre un schéma de principe d'une installation d'électrolyse de l'eau à membrane. La membrane 10 partage un bain en deux, bain comprenant un mélange d'eau et d'électrolyte. La cathode 20 et l'anode 30 sont positionnées de part et d'autre de la membrane et sont reliées respectivement aux bornes négative et positive d'une source d'énergie électrique. La membrane 10 permet une bonne séparation du gaz hydrogène produit sur la cathode et du gaz oxygène produit sur l'anode. La cathode et l’anode sont métalliques, par exemple en Nickel, en Inox ou en oxydes métalliques, notamment du côté anodique. Le nickel et l’inox forment des oxydes en surface qui sont des catalyseurs de dégagement d’oxygène. L’inox 316L est particulièrement efficace grâce à sa teneur en molybdène.Figure 1 shows a diagram of a known cell for a water electrolysis plant for the production of hydrogen H2 and oxygen O2 gas. Figure 2 shows a schematic diagram of a membrane water electrolysis plant. The membrane 10 divides a bath in two, a bath comprising a mixture of water and electrolyte. The cathode 20 and the anode 30 are positioned on either side of the membrane and are connected respectively to the negative and positive terminals of an electrical energy source. The membrane 10 allows good separation of the hydrogen gas produced on the cathode and the oxygen gas produced on the anode. The cathode and the anode are metallic, for example nickel, stainless steel or metal oxides, particularly on the anodic side. Nickel and stainless steel form oxides on the surface which are catalysts for the release of oxygen. 316L stainless steel is particularly effective thanks to its molybdenum content.
En complément, pour améliorer les réactions chimiques, des couches 40, 50 de catalyseurs peuvent être déposées sur les deux faces de la membrane, entre la cathode et la membrane d'une part, entre l'anode et la membrane d'autre part. Egalement, des couches de catalyseur peuvent être déposées sur l'anode et / ou la cathode. Les couches de catalyseur peuvent comprendre de la poudre de nickel. Les matériaux catalyseurs utilisés peuvent également être différents pour la membrane et pour les électrodes.Additionally, to improve the chemical reactions, layers 40, 50 of catalysts can be deposited on both sides of the membrane, between the cathode and the membrane on the one hand, between the anode and the membrane on the other hand. Also, layers of catalyst can be deposited on the anode and/or the cathode. The layers of catalyst can comprise nickel powder. The catalyst materials used can also be different for the membrane and for the electrodes.
Une unique cellule est représentée sur la figure l. Toutefois, dans la pratique, une installation industrielle peut comprendre plusieurs cellules, voire une centaine de cellules.A single cell is shown in Figure 1. However, in practice, an industrial installation may comprise several cells, or even a hundred cells.
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| FRFR2104716 | 2021-05-04 |
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| OA21927A true OA21927A (en) | 2025-07-14 |
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