WO2025061814A1 - Système et procédé de régulation des séparateurs gaz-liquide d'un électrolyseur - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a control or monitoring system for regulating the operation of the anodic and cathodic gas-liquid separators of an alkaline water electrolysis apparatus.
  • the present invention relates to a control or monitoring system for regulating the operation of the anodic and cathodic gas-liquid separators of an alkaline water electrolysis apparatus.
  • Said battery 10 is made up of a set of electrolytic cells so that the mixture defined above passes through these cells.
  • a diaphragm separates the anode from the cathode so that, under normal conditions, the molecules of oxygen O2 and hydrogen H2 cannot be mixed.
  • the first is dedicated to the dihydrogen molecules in the presence of the detergent flow
  • gas-liquid separation is defined as a major step in the alkaline water electrolysis process.
  • each outlet of the electrolyser stack 10 is directly connected to a gas-liquid separator so that this mixture is introduced instantly into said appropriate gas-liquid separator, and more particularly at the height of the lower part of the lateral face located upstream of said gas-liquid separator.
  • the cathodic gas-liquid separator GLSca is reserved for the separation of the cathodic H2-lye mixture flow, while the anodic gas-liquid separator GLSan is intended for the separation of the cathodic O2-lye mixture flow.
  • each of the gas-liquid separators GLSca, GLSan has two outlets: the first of them for the separated gas while the second is linked to the residual liquid phase.
  • the gas bubbles are evacuated through an orifice located on the upper wall of each of said gas-liquid separators, while the liquid flows through an orifice located on the lower wall of this same gas-liquid separator.
  • the two orifices appear opposite the inlet orifice, through which the gas-lye mixture is introduced.
  • a balancing line 16 is installed between the gas-liquid separators H2 (cathodic) and O2 (anodic) in a “U” configuration located below them.
  • the fluid circulation loop of the detergent through the cell 10 and the corresponding gas-liquid separator comprises an associated pump 14an, 14ca; and the electrolysis system also includes a mixer 12 supplied with detergent by these two pumps.
  • the first part of a conventional control system 101 can then control a gas control valve V an of the anode gas-liquid separator GLSan to achieve the desired gas pressure at the anode separator, thanks to the gas control valve on the O2 gas flow.
  • the second part of the control system 101 also adjusts the exhaust gas flow rate of the cathode gas-liquid separator GLSca by controlling a gas control valve V ca on the H2 gas flow to achieve the same leaching level in the anode gas-liquid separator GLSan and in the cathode gas-liquid separator GLSca.
  • another usual control system 102 consists of the same gas pressure control logic on the anode side and on the cathode side.
  • the gas control valve V ca is used to achieve the same anode and cathode gas pressures p an and p ca in the gas-liquid separators GLSan and GLSca.
  • the detergent level is self-regulated between the two gas-liquid separators GLSan and GLSca through the balancing line 16.
  • This control system 101 is then suitable for a mixed lye flow configuration, where the properties of the lye in the anode gas-liquid separator GLSan and in the cathode gas-liquid separator GLSca are the same.
  • the concentration of KOH NAOH may be different on the anodic side and on the cathodic side.
  • FIG. 3 The system according to the invention as illustrated in Figure 3 is identical to that illustrated in Figures 1 or 2, except for its proposed control system 103 which regulates the gas pressures p ca and p an , while keeping the difference between the detergent levels l an and l ca within a certain limit.
  • control system of the gas-liquid separators is based on maintaining the same lye levels in the anodic and cathodic gas-liquid separators at all times, since the gas pressure is the same in both the GLSan and GLSca gas-liquid separators while the lye density could be different on the anodic and cathodic side.
  • the object of the invention is to propose a system and a method remedying the drawbacks of the prior art.
  • the invention proposes a system for regulating the operation of the anodic and cathodic gas-liquid separators of an alkaline water electrolysis apparatus, the apparatus comprising:
  • an anode gas-liquid separator being connected to the anode chamber and separating an anode electrolyte and oxygen gas along an anode wash level, the oxygen gas flowing out of the anode chamber through an anode oxygen gas control valve;
  • a cathode gas-liquid separator being connected to the cathode chamber and separating a cathode electrolyte and dihydrogen gas along a cathode wash level, the dihydrogen gas flowing out of the cathode chamber through a cathode dihydrogen gas control valve, said control system comprising:
  • a programmable logic control device or computer which is connected to each of said two gas control valves and each of said four sensors to send operating signals to the two gas control valves to regulate the gas pressures and the lye levels in the anode gas-liquid separator and the cathode gas-liquid separator.
  • the system regulates the gas pressures in the anodic and cathodic gas-liquid separators while ensuring that the difference between the lye levels in the gas-liquid separators does not exceed a given threshold value;
  • the system regulates the lye levels in the anodic and cathodic gas-liquid separators while ensuring that the difference between the lye levels in the gas-liquid separators does not exceed a given threshold value;
  • the value of the oxygen gas pressure in the anode gas-liquid separator is continuously measured to compare it with a fixed reference value, or with an optimal transient curve;
  • the value of the dihydrogen gas pressure in the cathode gas-liquid separator is continuously measured to compare it with the dioxygen gas pressure in the anodic gas-liquid separator; iii) the level of anode liquor is continuously measured to check whether it remains within a safe range; iv) the cathode lye level is continuously measured to compare it with the lye level in the anode gas-liquid separator; v) the oxygen gas control valve is actuated; vi) the hydrogen gas control valve is actuated;
  • the position of the anode gas control valve is more or less constant, and in which, in a transient operating mode of the apparatus, the position of the anode gas control valve will be continuously adapted to regulate the oxygen gas pressure and the anode lye pressure;
  • the position of the cathode gas control valve is more or less constant, and in which, in a transient operating mode of the device, the position of the valve cathode gas control will be continuously adapted to regulate the hydrogen gas pressure and the cathode wash pressure.
  • the invention also provides a method for regulating the operation of the anodic and cathodic gas-liquid separators of an alkaline water electrolysis apparatus, the apparatus comprising:
  • an anode gas-liquid separator being connected to the anode chamber and separating an anode electrolyte and oxygen gas along an anode wash level, the oxygen gas flowing out of the anode chamber through an anode oxygen gas control valve;
  • a cathode gas-liquid separator being connected to the cathode chamber and separating a cathode electrolyte and dihydrogen gas along a cathode wash level, the dihydrogen gas flowing out of the cathode chamber through a cathode dihydrogen gas control valve, characterized in that it uses control data representing:
  • control of the operation of the two gas control valves is based on a control model for regulating the gas pressures in the anodic and cathodic gas-liquid separators while ensuring that the difference between the lye levels in the gas-liquid separators does not exceed a given threshold value;
  • control of the operation of the two gas control valves is based on a control model for regulating the lye levels in the anodic and cathodic gas-liquid separators while ensuring that the difference between the lye levels in the gas-liquid separators does not exceed a given threshold value;
  • the cathode lye level is continuously measured in order to compare it with the lye level in the anode gas-liquid separator;
  • FIG.1] - Figure 1 is a schematic and partial representation of a first example of an electrolysis system with a control system according to the prior art for regulating gas-liquid separators
  • FIG.2] - Figure 2 is a schematic and partial representation of a second example of an electrolysis system with a control system according to the prior art for regulating gas-liquid separators
  • FIG.3 is a schematic and partial representation of an example of an electrolysis system with a control system according to the invention for regulating gas-liquid separators;
  • FIG.4 - Figure 4 is a representation of a model used for the regulation of gas-liquid separators.
  • the regulation of the gas-liquid separators GLSan and GLSca is based on a new control system based on a model 103 which allows to correctly control the gas control valves V an and V ca of the anodic and cathodic sides to achieve the same gas pressures at the anode and cathode, while keeping the difference l an - Enters the lye levels in the gas-liquid separators within a certain limit, the anodic and cathodic gas-liquid separators GLSan and GLSca, i.e. ensuring that the difference l an - Enters the lye levels l an and Z ca in the gas-liquid separators does not exceed a certain limit or threshold value.
  • the invention allows the system to operate safely during all operations, avoiding damage to the electrolyser stack 10 due to the difference in gas pressures p an - p ca between the anode side and the cathode side, while avoiding stopping the electrolysis process due to too large a difference l an - Between the lye levels.
  • This control system can be implemented on mixed and non-mixed flow configurations, i.e. with or without mixer 12.
  • the implementation of the solution is based on a control loop that interacts with six specific components or constituents: - i) at least one anode gas pressure sensor (p_ari);
  • V_an at least one anode gas control valve
  • This control loop is fully automated, meaning that human intervention at the electrolyzer system is no longer required, thereby eliminating a potential hazard associated with said human intervention.
  • the gas control valves V an and V ca could be replaced by backpressure valves, shutoff valves, or other types of valves.
  • the anode gas pressure sensor providing a corresponding representative gas pressure value p an and the anode lye level sensor providing a corresponding representative level value l an are located in the O2 gas-liquid separator GLSan, while the cathode gas pressure sensor and the cathode lye level sensor are located in the H 2 gas-liquid separator GLSca.
  • the anode gas control valves V an and cathode V ca are downstream of the gas-liquid separators in the gas flow system.
  • the operating principle is based on a model-based control system that allows the gas control valves to be correctly and automatically controlled in a closed loop by means of a programmable logic controller (PLC), such that the PLC is permanently connected to the six components defined above (two gas pressure sensors, two lye level sensors and two gas control valves), while being managed and controlled by a remote human intervention from said electrolyser system, if necessary.
  • PLC programmable logic controller
  • the control system manipulates the gas control valve of the anode gas-liquid separator to achieve the desired gas pressure in the anode gas-liquid separator, while manipulating the cathode gas control valve to achieve the same lye level in both the anode and cathode gas-liquid separators.
  • the proposed model-based control system regulates the gas pressures in the anode and cathode separators while ensuring that the difference between the lye levels in the gas-liquid separators does not exceed a certain limit, thus avoiding a system shutdown.
  • Said model-based control system of an alkaline electrolyzer makes it possible to ensure safe operation under transient conditions.
  • gas pressures on the cathode and anodic gas-liquid separators will vary, a priori, in different ways, as will the lye levels in the cathode and anodic gas-liquid separators.
  • the model-based control system will meanwhile adjust the exhaust gas flow rate at the anode and cathode sides by controlling the cathode and anode gas control valves through an analysis of the monitored parameters: a) cathode and anode gas pressures; b) and cathodic and anodic wash levels.
  • the proposed control system regulates the gas pressures p an and p an in the anodic and cathodic gas-liquid separators while ensuring that the difference l an - l ca between the lye levels in the gas-liquid separators does not exceed a certain limit.
  • Said model-based control system will enable better control of electrolyzer performance and more stable operations, which will eventually result in better electrolysis efficiency during transient operations.
  • This model-based control system will prevent damage to the diaphragm or other parts of the electrolyzer by controlling the difference in gas pressures between the anode and cathode sides.
  • the first parameter monitored is the value of the gas pressure in the anode gas-liquid separator GLSan, which is directly related to the O2 distribution gas pressure (outlet) of the electrolyser and to the production of O2 bubbles.
  • This gas pressure is measured continuously to compare it to a fixed reference, or with an optimal transient curve, in particular during the start-up and shutdown of the system. If the measured value is different from this, the PLC will send a signal to the anode and cathode gas control valves to activate their opening/closing according to the electrolyser model developed.
  • the second monitored value concerns the gas pressure value in the cathode gas-liquid separator GLSca, which is directly related to the production of H2 bubbles and may involve a gas pressure difference with the anode side, and damage the diaphragm or other parts of the electrolyser.
  • This gas pressure is then continuously measured and compared to the gas pressure in the anode gas-liquid separator. If the measured value is different from this, the PLC will send a signal to the anode and cathode gas control valves to operate their opening/closing according to the developed electrolyzer model.
  • the third element monitored is the anode liquor level I an , which is directly related to the anode gas pressure in the gas-liquid separator GLSan and to the total pressure height on the cathode side, through the liquor balancing line 16.
  • This lye level is continuously measured to ensure that it remains within a safe range, especially during system startup and shutdown. If the measured value is not within the range, the PLC will send a signal to the anode and cathode gas control valves to operate their opening/closing according to the developed electrolyzer model.
  • the anode gas pressure will vary accordingly, involving a change in the anode liquor level, thanks to the liquor balancing line 16.
  • the anode liquor level l an in the gas-liquid separator GLSan, will thus be continuously adapted so that it remains within the safe range.
  • the fourth monitored element is the cathode lye level l ca , which is directly related to the cathode gas pressure in the gas-liquid separator GLSca and the total pressure height on the anode side, across the lye balancing line 16.
  • This lye level is then continuously measured and compared to the lye level in the anode gas-liquid separator. If the measured value is different from this, the PLC will send a signal to the anode and cathode gas control valves to operate their opening/closing according to the developed electrolyzer model. [0076]
  • the cathode gas pressure will vary accordingly, involving a change in the cathode lye level l ca , by means of the lye balancing line 16.
  • the difference l an - l ca between the anodic and cathodic lye levels in the gas-liquid separators will thus be continuously maintained close to zero.
  • the fifth element considered is based on the operation of a gas control valve on the anode gas flow, downstream of the GLSan gas-liquid separator.
  • the gas pressure of the anode gas-liquid separator could vary rapidly depending on the transient operation of the electrolyser, as well as the lye level.
  • the position of the gas control valve is more or less constant.
  • the sixth element considered is based on the operation of a gas control valve on the cathode gas flow, downstream of the GLSca gas-liquid separator. It will operate in the same way as the gas control valve on the anode side.
  • electrolysis systems consisting of several electrolyzer stacks 10, gas-liquid separators, controllable detergent pumps, gas control valves and power conversion units arranged in series and/or in parallel.
  • the invention also applies if the cathode gas pressure (H2) is controlled to reach a set value and the anode gas pressure (O2) is adjusted so as not to have any difference.
  • a preferable embodiment of the invention uses gas pressure and level sensors, but it is also possible to use differential sensors to detect the gas pressure levels p an and p ca and the detergent levels l an and l ca .
  • the model used as master to control the PLC is preferably based on usual predictive modeling, but can also be based on a simple linear equation model up to a data learning model to be self-adaptive.
  • a seventh element could be added in addition, i.e. at least one electric current sensor (or electric current density) to allow the control system to be more predictive and to react more quickly.
  • the measured outputs of the alkaline electrolysis process are the anode gas pressure value p ⁇ , the cathode gas pressure value p ⁇ , and the difference l an - Enter the lye level values in the anode gas-liquid separator GLSan and in the cathode gas-liquid separator GLSca respectively.
  • the process inputs include the gas flow rate value Qg n of the anodic gas-liquid separator GLSan and the gas flow rate value Q ⁇ “ of the cathodic gas-liquid separator GLSca.
  • the input and output vectors can be as follows:
  • the new control system uses a control model to estimate future outputs of the electrolyser based on current inputs and outputs as shown in Figure 4.
  • the optimizer finds the best inputs by minimizing the following objective function:
  • N - N p and N c are the prediction and control horizons.
  • the first and second constraints are to limit the oxygen exhaust gas check valves V an and the hydrogen exhaust gas check valves V ca so that the anode gas flow rate values and cathodic Q£ a each remain between a minimum value QTM in and a maximum value Q ⁇ yTM ax :
  • the third constraint concerns the difference in detergent levels l an - l ca .
  • the final constraint is to avoid the absolute difference p an - p ca between the anodic and cathodic gas pressure values being greater than a gas pressure threshold value ùp max :
  • IPan Pca l — ⁇ Pmax IPan Pca l — ⁇ Pmax
  • the formulation of the Hammerstein model which is a time-varying non-linear model is as follows: [0116] [Math. 9] where aL to a na and b 0 to b nb are coefficients of the Hammerstein model and v(k) is a nonlinear function of u(k): [0117] [Math. 10]

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Abstract

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

Description

Description
Titre de l’invention : Système et procédé de régulation des séparateurs gaz-liquide d’un électrolyseur
[0001] DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0002] La présente invention concerne un système de commande ou de surveillance permettant de réguler le fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline.
[0003] ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
[0004] La présente invention concerne un système de commande ou de surveillance permettant de réguler le fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline.
[0005] Selon un procédé d’électrolyse électrochimique bien connu de la technique antérieure, l’eau est amenée dans la cuve ou pile d’électrolyseur 10 d’un appareil d’électrolyse en présence d’une solution électrolytique (généralement KOH ou NaOH) par une entrée spécifique, cette association eau-électrolyte étant communément appelée « lessive ».
[0006] Ladite pile 10 est constituée d’un ensemble de cellules électrolytiques de sorte que le mélange défini ci-dessus traverse ces cellules.
[0007] Comme on peut le voir sur les figures 1 ou 2 annexées, après ce passage combiné au croisement d’un courant électrique à travers lesdites cellules électrolytiques, l’eau est décomposée en molécules gazeuses de dihydrogène H2 au niveau de la cathode, et en dioxygène O2 au niveau de l’anode.
[0008] Un diaphragme sépare l’anode de la cathode de sorte que, dans des conditions normales, les molécules de dioxygène O2 et de dihydrogène H2 ne peuvent pas être mélangées.
[0009] À l’opposé de ces cellules électrolytiques apparaît une double sortie :
1 ) la première est dédiée aux molécules de dihydrogène en présence du flux de lessive ; et
2) la seconde sortie a les mêmes caractéristiques, mais elle est dédiée aux molécules de dioxygène toujours en présence dudit flux de lessive. [0010] Ensuite, la séparation gaz-liquide est définie comme une étape majeure dans le procédé d’électrolyse de l’eau alcaline.
[0011] Pour réaliser ladite séparation gaz-liquide, chaque sortie de la pile d’électrolyseur 10 est directement connectée à un séparateur gaz-liquide de sorte que ce mélange est introduit instantanément dans ledit séparateur gaz- liquide approprié, et plus particulièrement à la hauteur de la partie inférieure de la face latérale située en amont dudit séparateur gaz-liquide.
[0012] Ainsi, le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca est réservé à la séparation du flux de mélange cathodique de H2-lessive, tandis que le séparateur gaz- liquide anodique GLSan est destiné à la séparation du flux de mélange cathodique de 02-lessive.
[0013] Dans toute l’installation de l’électrolyseur, chacun des séparateurs gaz-liquide GLSca, GLSan a deux sorties : la première d’entre elles pour le gaz séparé tandis que la seconde est liée à la phase liquide résiduelle.
[0014] Ainsi, dans cette configuration, les bulles de gaz sont évacuées à travers un orifice situé sur la paroi supérieure de chacun desdits séparateurs gaz-liquide, tandis que le liquide s’écoule à travers un orifice situé sur la paroi inférieure de ce même séparateur gaz-liquide.
[0015] Les deux orifices apparaissent en face de l’orifice d’entrée, par lequel le mélange gaz-lessive est introduit.
[0016] Pour assurer une pression différentielle de gaz faible de part et d’autre (anodique et cathodique) du diaphragme de la pile d’électrolyseur 10, il est préférable d’équilibrer les deux séparateurs gaz-liquide, à la fois leurs pressions de phase gazeuse pca et pan et leurs niveaux de phase de lessive liquide lan et Ica-
[0017] Afin d’équilibrer les deux séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca, une ligne d’équilibrage 16 est installée entre les séparateurs gaz-liquide H2 (cathodique) et O2 (anodique) selon une configuration en « U » située sous ceux-ci.
[0018] De manière non limitative, sur chacun des côtés anodique et cathodique, la boucle de circulation de fluide de la lessive à travers la pile 10 et le séparateur gaz-liquide correspondant comprend une pompe associée 14an, 14ca ; et le système d’électrolyse comprend également un mélangeur 12 alimenté en lessive par ces deux pompes.
[0019] Comme illustré à la figure 1 , la première partie d’un système de commande usuel 101 peut alors commander une vanne de commande de gaz Van du séparateur gaz-liquide anodique GLSan pour atteindre la pression de gaz souhaitée au niveau du séparateur anodique, grâce à la vanne de commande de gaz sur le flux de gaz O2.
[0020] La seconde partie du système de commande 101 ajuste également le débit de gaz d’échappement du séparateur gaz-liquide cathodique GLSca grâce à la commande d’une vanne de commande de gaz Vca sur le flux de gaz H2 pour atteindre le même niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca.
[0021] Comme illustré sur la figure 2 annexée, un autre système de commande 102 usuel est constitué d’une même logique de commande de pression de gaz du côté anodique et du côté cathodique.
[0022] Ainsi, pour le côté cathodique, la vanne de commande de gaz Vca est utilisée pour atteindre les mêmes pressions de gaz anodique et cathodique panet pca dans les séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca.
[0023] En effet, le niveau de lessive est autorégulé entre les deux séparateurs gaz- liquide GLSan et GLSca à travers la ligne d’équilibrage 16.
[0024] Ce système de commande 101 est alors approprié pour une configuration de flux de lessive mixte, où les propriétés de la lessive dans le séparateur gaz- liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca sont les mêmes.
[0025] Toutefois, pour une configuration non représentée de flux non-mixte, la concentration en KOH NAOH peut être différente du côté anodique et du côté cathodique.
[0026] Ceci conduit à une différence entre les densités de lessive du côté anodique et du côté cathodique. [0027] Ainsi, l’équilibrage des niveaux de lessive lan et Zcane conduit pas nécessairement à une hauteur de charge égalisée entre le côté anodique et le côté cathodique.
[0028] Ceci peut être très critique, notamment pendant les fonctionnements transitoires et le système de commande usuel 101 de la figure 1 peut provoquer des pressions de gaz différentes au niveau de l’anode et de la cathode, ce qui peut endommager le diaphragme d’électrolyseur.
[0029] Le système selon l’invention tel qu’illustré à la figure 3 est identique à celui illustré aux figures 1 ou 2, sauf en ce qui concerne son système de commande 103 proposé qui régule les pressions de gaz pca et pan, tout en gardant la différence entre les niveaux de lessive lan et lca dans une certaine limite.
[0030] Il est possible de réguler la pression de gaz pcadans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan et la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca à l’aide du système de commande 102 de la figure 2, mais cela peut conduire à une différence importante des niveaux de lessive lan et lca dans ces séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca, ce qui provoque l’arrêt immédiat du processus d’électrolyse.
[0031] Dans les électrolyseurs alcalins industriels actuels, le système de commande des séparateurs gaz-liquide est basé sur le maintien des niveaux de lessive identiques dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique à tout moment, étant donné que la pression de gaz est identique dans les deux séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca alors que la densité de lessive pourrait être différente du côté anodique et cathodique.
[0032] Toutefois, pendant les conditions transitoires, il existe une possibilité d’avoir des pressions de gaz différentes pca et pan dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique GLSan et GLSca.
[0033] Cela pourrait conduire à une différence de pression de gaz remarquable sur les côtés cathodique et anodique de la cellule d’électrolyse, ce qui endommagerait le(s) diaphragme(s) et autres parties de la pile d’électrolyseur 10. [0034] En revanche, la régulation réelle par le système des pressions de gaz anodique et cathodique pca et panpar des vannes de commande de gaz anodique et cathodique Van et Vca peut conduire à une différence importante lan - Rentre les niveaux de lessive lan et lca de ces séparateurs gaz-liquide, ce qui provoque l’arrêt immédiat du processus d’électrolyse, notamment dans le cas des flux de lessive non mélangés où les propriétés de la lessive dans le séparateur gaz- liquide anodique et de la lessive dans le séparateur gaz-liquide cathodique sont différentes
[0035] L’objet de l’invention est de proposer un système et un procédé remédiant aux inconvénients de la technique antérieure.
[0036] RESUME DE L’INVENTION
[0037] L’invention propose un système de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline, l’appareil comprenant :
- une cuve d’électrolyse comprenant :
- une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ;
- une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ;
- une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ;
- un séparateur gaz-liquide anodique étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique, le gaz de dioxygène s’écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique ;
- un séparateur gaz-liquide cathodique étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique, le gaz de dihydrogène s’écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dihydrogène cathodique, ledit système de commande comprenant :
- au moins un capteur de pression de gaz anodique ; -- au moins un capteur de pression de gaz cathodique ;
-- au moins un capteur de niveau de lessive anodique ;
-- au moins un capteur de niveau de lessive cathodique ;
-- et un dispositif de commande logique programmable ou un ordinateur, qui est connecté à chacune des deux dites vannes de commande de gaz et à chacun des quatre dits capteurs pour envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz pour réguler les pressions de gaz et les niveaux de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique et le séparateur gaz-liquide cathodique.
[0038] Selon d’autres caractéristiques du système selon l’invention :
- le fonctionnement des deux vannes de commande de gaz est basé sur un système de commande basé sur un modèle ;
- le système régule les pressions de gaz dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ;
- le système régule les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ;
- dans ce système :
- i) la valeur de la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ;
- ii) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide cathodique est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique ; iii) le niveau de lessive anodique est mesuré en continu afin de vérifier s’il reste dans une plage sûre ; iv) le niveau de lessive cathodique est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique ; v) la vanne de commande de gaz de dioxygène est actionnée ; vi) la vanne de commande de gaz de dihydrogène est actionnée ;
- si la valeur mesurée de la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de retenue de gaz d’échappement anodique et à la vanne de retenue de gaz d’échappement cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;
- si la valeur mesurée de la pression de gaz de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide cathodique est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique et à la vanne de commande de gaz cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;
- si la valeur mesurée du niveau de lessive anodique n’est pas dans la plage sûre, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique et à la vanne de commande de gaz cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;
- si la valeur mesurée du niveau de lessive cathodique est différente de ladite valeur fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique et à la vanne de commande de gaz cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle ;
- dans le mode de fonctionnement nominal de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique est plus ou moins constante, et dans lequel, dans un mode de fonctionnement transitoire de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dioxygène et la pression de lessive anodique ;
- dans le mode de fonctionnement nominal de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique est plus ou moins constante, et dans lequel, dans un mode de fonctionnement transitoire de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dihydrogène et la pression de lessive cathodique.
[0039] L’invention propose également un procédé de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline, l’appareil comprenant :
- une cuve d’électrolyse comprenant :
- une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ;
- une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ;
- une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ;
- un séparateur gaz-liquide anodique étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique, le gaz de dioxygène s’écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique ;
- un séparateur gaz-liquide cathodique étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique, le gaz de dihydrogène s’écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dihydrogène cathodique, caractérisé en ce qu’il utilise des données de commande représentant :
-- la pression de gaz anodique ;
-- la pression de gaz cathodique ;
- le niveau de lessive anodique ;
- le niveau de lessive cathodique ; pour commander chacune des deux dites vannes de commande de gaz et chacun des quatre dits capteurs pour envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz permettant de réguler les pressions de gaz et les niveaux de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique et le séparateur gaz-liquide cathodique. [0040] Selon d’autres caractéristiques du procédé :
- la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les pressions de gaz dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ;
- la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une valeur seuil donnée ;
- dans le procédé :
-- i) la valeur de la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ;
-- ii) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène dans le séparateur gaz- liquide cathodique est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène dans le séparateur gaz-liquide anodique ;
-- iii) le niveau de lessive anodique est mesuré en continu afin de vérifier qu’il reste dans une plage sûre ;
-- iv) le niveau de lessive cathodique est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique ;
- v) la vanne de commande de gaz de dioxygène est actionnée ;
- vi) la vanne de commande de gaz de dihydrogène est actionnée.
[0041] BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0042] [Fig.1] - la figure 1 est une représentation schématique et partielle d’un premier exemple de système d’électrolyse avec un système de commande selon la technique antérieure pour la régulation des séparateurs gaz-liquide ; [0043] [Fig.2] - la figure 2 est une représentation schématique et partielle d’un second exemple de système d’électrolyse avec un système de commande selon la technique antérieure pour la régulation des séparateurs gaz-liquide ;
[0044] [Fig.3] - la figure 3 est une représentation schématique et partielle d’un exemple de système d’électrolyse avec un système de commande selon l’invention pour la régulation des séparateurs gaz-liquide ;
[0045] [Fig.4] - la figure 4 est une représentation d’un modèle utilisé pour la régulation des séparateurs gaz-liquide.
[0046] DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
[0047] Dans la description suivante, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes références.
[0048] Selon l’invention décrite ci-dessous, la régulation des séparateurs gaz-liquide GLSan et GLSca repose sur un nouveau système de commande basé sur un modèle 103 qui permet de commander correctement les vannes de commande de gaz Van et Vca des côtés anodique et cathodique pour atteindre les mêmes pressions de gaz au niveau de l’anode et de la cathode, tout en gardant la différence lan - Rentre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide dans une certaine limite, les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique GLSan et GLSca, c’est-à-dire en s’assurant que la différence lan - Rentre les niveaux de lessive lan et Zcadans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une certaine limite ou valeur seuil.
[0049] L’invention permet au système de fonctionner de manière sûre lors de tous les opérations, en évitant les dommages sur la pile d’électrolyseur 10 en raison de la différence des pressions de gaz pan - pcaentre le côté anodique et le côté cathodique, tout en évitant l’arrêt du processus d’électrolyse en raison d’une différence trop importante lan - Rentre les niveaux de lessive.
[0050] Ce système de commande peut être mis en œuvre sur des configurations de flux mixte et non mixte, c’est-à-dire avec ou sans mélangeur 12.
[0051] Dans un mode de réalisation préférable, la mise en œuvre de la solution est basée sur une boucle de commande qui interagit avec six composants ou constituants spécifiques : - i) au moins un capteur de pression de gaz anodique (p_ari) ;
- ii) au moins un capteur de pression de gaz cathodique (p_ca) ;
- iii) au moins un capteur de niveau de lessive anodique (l_an) ;
- iv) au moins un capteur de niveau de lessive cathodique (l_ca) ;
- v) au moins une vanne de commande de gaz anodique (V_an) ;
- vi) au moins une vanne de commande de gaz cathodique (V_ca).
[0052] Cette boucle de commande est entièrement automatisée, ce qui signifie que l’intervention humaine au niveau du système d’électrolyseur n’est plus nécessaire, ce qui élimine par conséquent un danger potentiel lié à ladite intervention humaine. Les vannes de commande de gaz Van et Vca pourraient être remplacées par des vannes de contre-pression, des vannes d'arrêt ou d'autres types de vannes.
[0053] Comme le montre la figure 3, l’agencement desdits composants est le suivant :
- le capteur de pression de gaz anodique fournissant une valeur représentative de pression de gaz correspondante pan et le capteur de niveau de lessive anodique fournissant une valeur représentative de niveau correspondante lan sont situés dans le séparateur gaz-liquide O2 GLSan, alors que le capteur de pression de gaz cathodique et le capteur de niveau de lessive cathodique sont situés dans le séparateur gaz-liquide H2 GLSca. Les vannes de commande de gaz anodique Van et cathodique Vca sont en aval des séparateurs gaz-liquide dans le système de flux de gaz.
[0054] Le principe de fonctionnement est basé sur un système de commande basé sur un modèle qui permet de commander correctement et automatiquement les vannes de commande de gaz en boucle fermée grâce à un dispositif de commande logique programmable (PLC), de sorte que le PLC est connecté en permanence aux six composants définis ci-dessus (deux capteurs de pression de gaz, deux capteurs de niveau de lessive et deux vannes de commande de gaz), tout en étant géré et commandé par une intervention humaine distante dudit système d’électrolyseur, si nécessaire. [0055] Dans des conditions nominales de fonctionnement, le système de commande manipule la vanne de commande de gaz du séparateur gaz-liquide anodique pour atteindre la pression de gaz souhaitée dans le séparateur gaz-liquide anodique, tout en manipulant la vanne de commande de gaz cathodique pour atteindre le même niveau de lessive dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique.
[0056] Toutefois, lors de fonctionnements transitoires (changement rapide de la densité du courant électrique et donc de la production de dihydrogène H2 et de dioxygène O2 et des débits de lessive), et/ou avec une configuration de flux de lessive non mélangée (les flux anodique et cathodique sont distincts), ce système de commande classique peut induire une pression de gaz différente au niveau des flux anodique et cathodique, ce qui peut endommager le diaphragme ou d’autres parties de la pile d’électrolyseur 10.
[0057] Le système de commande proposé basé sur un modèle régule les pressions de gaz dans les séparateurs anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence lan - Rentre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une certaine limite, évitant ainsi un arrêt du système.
[0058] Ledit système de commande basé sur un modèle d’un électrolyseur alcalin permet d’assurer un fonctionnement sûr dans des conditions transitoires.
[0059] En pratique, notamment lors de fonctionnements transitoires du système d’électrolyseur, un changement brutal de courant électrique (ou de la densité de courant électrique) va induire une adaptation des débits de lessive cathodique H2 et anodique O2, tandis que la production de bulles de dihydrogène H2 et de dioxygène O2 changera en conséquence.
[0060] Ainsi, des pressions de gaz sur les séparateurs gaz-liquide cathodique et anodique vont varier, à priori, de différentes manières, ainsi que les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide cathodique et anodique.
[0061] Ensuite, le système de commande basé sur un modèle ajustera entre-temps le débit de gaz d’échappement au niveau des côtés anodique et cathodique par commande des vannes de commande de gaz cathodique et anodique grâce à une analyse des paramètres surveillés : a) des pressions de gaz cathodique et anodique ; b) et des niveaux de lessive cathodique et anodique.
[0062] En conséquence, grâce à un modèle analytique, le système de commande proposé régule les pressions de gaz pan et pan dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique tout en s’assurant que la différence lan - lca entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide ne dépasse pas une certaine limite.
[0063] Ledit système de commande basé sur un modèle permettra d’obtenir une meilleure commande des performances de l’électrolyseur et d’obtenir des opérations plus stables, ce qui se traduira éventuellement par un meilleur rendement d’électrolyse lors des fonctionnements transitoires.
[0064] Ce système de commande basé sur un modèle va éviter les dommages au diaphragme ou à d’autres pièces des parties de l’électrolyseur grâce à la maîtrise de la différence de pressions de gaz entre les côtés anodique et cathodique.
[0065] Le premier paramètre surveillé est la valeur de la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan, qui est directement liée à la pression de gaz de distribution de O2 (sortie) de l’électrolyseur et à la production de bulles de O2.
[0066] Cette pression de gaz est mesurée en continu pour la comparer à une référence fixe, ou avec une courbe transitoire optimale, notamment lors du démarrage et de l’arrêt du système. Si la valeur mesurée est différente de celle- ci, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.
[0067] Grâce à cet ajustement, la pression de gaz anodique dans le séparateur gaz- liquide va ainsi être adaptée en continu pour atteindre sa valeur de référence ou optimale.
[0068] La deuxième valeur surveillée concerne la valeur de la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca, qui est directement liée à la production de bulles de H2 et peut impliquer une différence de pression de gaz avec le côté anodique, et endommager le diaphragme ou d’autres parties de l’électrolyseur. [0069] Cette pression de gaz est ensuite mesurée en continu et comparée à la pression de gaz dans le séparateur gaz-liquide anodique. Si la valeur mesurée est différente de celle-ci, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.
[0070] Grâce à cet ajustement, la différence pan - pcaentre les pressions de gaz anodique et cathodique dans les séparateurs gaz-liquide va ainsi être maintenue de manière continue proche de zéro.
[0071] Le troisième élément surveillé est le niveau de lessive anodique Ian, qui est directement lié à la pression de gaz anodique dans le séparateur gaz-liquide GLSan et à la hauteur de pression totale du côté cathodique, à travers la ligne d’équilibrage 16 de la lessive.
[0072] Ce niveau de lessive lan est mesuré en continu pour s’assurer qu’il reste dans une plage sûre, notamment lors du démarrage et de l’arrêt du système. Si la valeur mesurée n’est pas dans la plage, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé.
[0073] Grâce à cet ajustement, au niveau d’une hauteur de pression totale fixe du côté cathodique, la pression de gaz anodique va varier en conséquence, impliquant un changement du niveau de lessive anodique, grâce à la ligne d’équilibrage de lessive 16. Ainsi, le niveau de lessive anodique lan, dans le séparateur gaz-liquide GLSan, va ainsi être adapté en continu de sorte qu’il reste dans la plage sûre.
[0074] Le quatrième élément surveillé est le niveau de lessive cathodique lca, qui est directement lié à la pression de gaz cathodique dans le séparateur gaz-liquide GLSca et à la hauteur de pression totale du côté anodique, à travers la ligne d’équilibrage 16 de la lessive.
[0075] Ce niveau de lessive est ensuite mesuré en continu et comparé au niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique. Si la valeur mesurée est différente de celle-ci, le PLC va envoyer un signal aux vannes de commande de gaz anodique et cathodique pour actionner leur ouverture/fermeture selon le modèle d’électrolyseur développé. [0076] Grâce à cet ajustement, au niveau d’une hauteur de pression totale fixe du côté anodique, la pression de gaz cathodique va varier en conséquence, impliquant un changement du niveau de lessive cathodique lca, grâce à la ligne d’équilibrage 16 de la lessive. Ainsi, la différence lan - lca entre des niveaux de lessive anodique et cathodique dans les séparateurs gaz-liquide sera ainsi maintenue en continu proche de zéro.
[0077] Le cinquième élément considéré est basé sur le fonctionnement d’une vanne de commande de gaz sur le flux de gaz anodique, en aval du séparateur gaz- liquide GLSan. Dans cette approche, la pression de gaz du séparateur gaz- liquide anodique pourrait varier rapidement en fonction du fonctionnement transitoire de l’électrolyseur, ainsi que du niveau de lessive.
[0078] Ainsi, dans le fonctionnement nominal du système d’électrolyseur, la position de la vanne de commande de gaz est plus ou moins constante.
[0079] Inversement, dans un mode de fonctionnement transitoire, la production de bulles de dioxygène peut se faire brusquement, de sorte que la position de la vanne de commande de gaz anodique Van sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz anodique et le niveau de lessive.
[0080] Le sixième élément considéré est basé sur le fonctionnement d’une vanne de commande de gaz sur le flux de gaz cathodique, en aval du séparateur gaz- liquide GLSca. Elle fonctionnera de la même manière que la vanne de commande de gaz du côté anodique.
[0081] Il est également possible de disposer de plusieurs systèmes d’électrolyse constitués de plusieurs piles d’électrolyseur 10, de séparateurs gaz-liquide, de pompes à lessive commandables, de vannes de commande de gaz et d’unités de conversion de puissance disposées en série et/ou en parallèle.
[0082] Chacune peut apparaître horizontalement, verticalement ou une combinaison des deux orientations, quelle que soit la disposition étudiée.
[0083] Il en est de même pour le nombre de cellules électrolytiques dans ladite ou lesdites piles d’électrolyseur, c’est-à-dire que l’approche définie est indépendante du nombre concerné de cellules électrolytiques. [0084] Cette approche peut également être appliquée à des circuits de lessive anodiques et cathodiques mixtes ou non mixtes (complètement séparés), avec des pompes indépendantes 14an, 14ca ou avec une pompe mutuelle.
[0085] L’invention s’applique également si la pression de gaz cathodique (H2) est maîtrisée pour atteindre une valeur de consigne et que la pression du gaz anodique (O2) est ajustée pour ne pas avoir de différence.
[0086] Il en est de même pour les niveaux de lessive lan et lca, et le niveau de lessive anodique Zanpourrait être ajusté pour réduire la différence avec le niveau de lessive cathodique lca qui est maîtrisé pour atteindre une valeur de consigne.
[0087] Un mode de réalisation préférable de l’invention utilise des capteurs de pression et de niveau de gaz, mais il est également possible d’utiliser des capteurs différentiels pour détecter les niveaux de pression de gaz panet pca et les niveaux de lessive lan et lca.
[0088] Il est également possible d’utiliser d’autres types de vannes de retenue des gaz d’échappement pour réguler le système du côté du flux anodique et cathodique, notamment des vannes de contre-pression ou des vannes de décharge de la pression des gaz.
[0089] Le modèle utilisé comme maître pour commander le PLC est de préférence basé sur une modélisation prédictive usuelle, mais peut aussi être basé sur un simple modèle d’équation linéaire jusqu’à un modèle d’apprentissage de données pour être auto-adaptatif.
[0090] Par ailleurs, un septième élément pourrait être ajouté en plus, c’est-à-dire au moins un capteur de courant électrique (ou une densité de courant électrique) pour permettre au système de commande d’être plus prédictif et de réagir plus rapidement.
[0091] Exemple d’un modèle de surveillance
[0092] Les sorties mesurées du procédé d’électrolyse alcaline sont la valeur de pression de gaz anodique p^, la valeur de pression de gaz cathodique p^, et la différence lan - Rentre les valeurs de niveau de lessive dans le séparateur gaz- liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca respectivement. [0093] Les entrées du processus comportent la valeur de débit de gaz Qgndu séparateur gaz-liquide anodique GLSan et la valeur de débit de gaz Q^“du séparateur gaz-liquide cathodique GLSca.
[0094] Par conséquent, les vecteurs d’entrée et de sortie peuvent être les suivants :
[0095] [Math. 1]
Y
Y
Figure imgf000019_0001
[0096] Le nouveau système de commande utilise un modèle de commande pour estimer les sorties futures de l’électrolyseur en fonction des entrées et sorties actuelles comme le montre la figure 4.
[0097] À l’aide des sorties futures estimées, l’optimiseur trouve les meilleures entrées en minimisant la fonction objective suivante :
[0098] [Math. 2]
Figure imgf000019_0002
[0099] Où :
- Ÿ(k + j\k) est une prévision optimale au palier j de la sortie du système ;
- w(k + j\k) est la trajectoire de référence future ;
- Q et R sont les facteurs de pondération ;
- Np et Nc sont les horizons de prédiction et de commande.
[0100] Q, R, Np et Nc doivent être correctement accordés pour atteindre une performance de commande raisonnable.
[0101] Une fois le problème d'optimisation de l'équation ci-dessus résolu, le premier élément du vecteur d'entrée est appliqué au processus et le problème d'optimisation est à nouveau résolu pour les temps d'échantillonnage suivants.
[0102] Six contraintes sont considérées pour résoudre le problème d’optimisation. [0103] Les première et seconde contraintes sont de limiter les vannes de retenue de gaz d’échappement de dioxygène Van et les vannes de retenue de gaz d’échappement de dihydrogène Vca de sorte que les valeurs de débit de gaz anodique
Figure imgf000020_0001
et cathodique Q£arestent chacune entre une valeur minimale Q™in et une valeur maximale Q ^y™ax :
[0104] [Math. 3]
Figure imgf000020_0003
[0106] La troisième contrainte concerne la différence de niveaux de lessive lan - lca.
[0107] La différence absolue lan - lca entre les valeurs de niveau de lessive dans le séparateur gaz-liquide anodique GLSan et dans le séparateur gaz-liquide cathodique GLSca respectivement ne doit pas être supérieure à une valeur seuil de niveau de lessive Mmax :
[0108] [Math. 5]
\ lan lca \ — ^max
[0109] Il doit y avoir deux contraintes pour les valeurs de niveau de lessive lanet lca pour assurer le fonctionnement sûr du séparateur gaz-liquide anodique GLSan et du séparateur gaz-liquide cathodique GLSca, en limitant les valeurs de niveau de lessive lanet Zcade sorte que chaque valeur de niveau de lessive reste entre une valeur minimale r/Lvft et une valeur maximale
Figure imgf000020_0002
:
[0110] [Math. 6]
Imin — ^an — ^max
[0111] [Math. 7]
Imin — lca — ^max
[0112] La contrainte finale est d’éviter que la différence absolue pan - pcaentre les valeurs de pression de gaz anodique et cathodique ne soit supérieure à une valeur seuil de pression de gaz ùpmax :
[0113] [Math. 8]
IPan Pca l — ^Pmax [0114] Différents modèles peuvent être utilisés comme modèle de commande pour calculer les sorties futures.
[0115] À titre d’exemple, la formulation du modèle de Hammerstein qui est un modèle non linéaire variant dans le temps est la suivante : [0116] [Math. 9]
Figure imgf000021_0001
où a-L à ana et b0 à bnb sont des coefficients du modèle de Hammerstein et v(k) est une fonction non linéaire de u(k) : [0117] [Math. 10]
Figure imgf000021_0002
[0118] Les paramètres du modèle de Hammerstein et de la fonction f doivent être identifiés pour un électrolyseur donné à l’aide de données expérimentales ou de résultats de simulation disponibles.

Claims

Revendications Système de commande (100) destiné à réguler le fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline, l’appareil comprenant :
- une cuve d’électrolyse (10) comprenant :
- une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ;
- une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ;
- une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ;
- un séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique (Ian), le gaz de dioxygène s’écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique (Van) ;
- un séparateur gaz-liquide cathodique (GLSan) étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique (lca), le gaz de dihydrogène s’écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dihydrogène cathodique (l£a), ledit système de commande comprenant :
-- au moins un capteur de pression de gaz anodique (pan) ;
-- au moins un capteur de pression de gaz cathodique (pan) ;
-- au moins un capteur de niveau de lessive anodique (lan) ;
- au moins un capteur de niveau de lessive cathodique (lca) ;
-- et un dispositif de commande logique programmable (PLC) ou un ordinateur, qui est connecté à chacune des deux dites vannes de commande de gaz (Van, Vca) et à chacun des quatre dits capteurs pour envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) pour réguler les pressions de gaz (pan pca) et les niveaux de lessive (lan, lca) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) et le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca). 2 Système de commande selon la revendication 1 , dans lequel le fonctionnement des deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) est basé sur un système de commande basé sur un modèle.
3 Système de commande selon la revendication 1 ou 2, dans lequel il régule les pressions de gaz (pan pca) dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s’assurant que la différence (lan - lca) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (àlmax).
4 Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel il régule les niveaux de lessive (lan> lca) dans les séparateurs gaz- liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s’assurant que la différence (pan - pca) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz- liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (àpmax).
5 Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel :
- i) la valeur de la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz- liquide anodique (GLSan) est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ;
- ii) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène (pca) dans le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca) est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) ; iii) le niveau de lessive anodique (Ian) est mesuré en continu pour vérifier s’il reste dans une plage sûre ; iv) le niveau de lessive cathodique (lca) est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive (lan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) ; v) la vanne de commande de gaz de dioxygène (Van) est actionnée ; vi) la vanne de commande de gaz de dihydrogène (K„) est actionnée.
6 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée de la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de retenue de gaz d’échappement anodique (Van) et à la vanne de retenue de gaz d’échappement cathodique (Vca) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
7 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée de la pression de gaz de dihydrogène (pca) dans le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca) est différente de ladite valeur de référence fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique (Van) et à la vanne de commande de gaz cathodique (l£a) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
8 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée du niveau de lessive anodique (lan) n’est pas dans la plage sûre, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique (Van) et à la vanne de commande de gaz cathodique (l£a) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
9 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, si la valeur mesurée du niveau de lessive cathodique (lca) est différente de ladite valeur fixe, des signaux de fonctionnement sont envoyés à la vanne de commande de gaz anodique (Van) et à la vanne de commande de gaz cathodique (Vca) pour actionner leur ouverture/fermeture selon ledit modèle.
10 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, dans le mode de fonctionnement nominal de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique (Van) est plus ou moins constante, et dans lequel, dans un mode de fonctionnement transitoire de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz anodique (Van) sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dioxygène et la pression de lessive anodique.
11 Système de commande selon la revendication 5 en combinaison avec la revendication 2, dans lequel, dans le mode de fonctionnement nominal de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique (tça) est plus ou moins constante, et dans lequel, dans un mode de fonctionnement transitoire de l’appareil, la position de la vanne de commande de gaz cathodique (l£a) sera adaptée en continu pour réguler la pression de gaz de dihydrogène et la pression de lessive cathodique. Procédé de régulation du fonctionnement des séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) d’un appareil d’électrolyse de l’eau alcaline, l’appareil comprenant :
- une cuve d’électrolyse (10) comprenant :
- une chambre anodique générant du gaz de dioxygène ;
- une chambre cathodique générant du gaz de dihydrogène ;
- une membrane de séparation perméable aux ions séparant la chambre anodique et la chambre cathodique ;
- un séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) étant connecté à la chambre anodique et séparant un électrolyte anodique et du gaz de dioxygène le long d’un niveau de lessive anodique (lan), le gaz de dioxygène s’écoulant hors de la chambre anodique à travers une vanne de commande de gaz de dioxygène anodique (Van) ;
- un séparateur gaz-liquide cathodique (GLSan) étant connecté à la chambre cathodique et séparant un électrolyte cathodique et du gaz de dihydrogène le long d’un niveau de lessive cathodique (lca), le gaz de dihydrogène s’écoulant hors de la chambre cathodique à travers une vanne de commande de gaz de dihydrogène cathodique (l£a), caractérisé en ce qu’il utilise des données de commande représentant :
-- la pression de gaz anodique (pan) ;
-- la pression de gaz cathodique (pan) ;
- le niveau de lessive anodique (lan) ;
- le niveau de lessive cathodique (lca) ; pour commander chacune des deux dites vannes de commande de gaz (Van, Vca) et chacun des quatre dits capteurs permettant d’envoyer des signaux de fonctionnement aux deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) pour réguler les pressions de gaz (pan,Pca) et les niveaux de lessive (lan, lca) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) et le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca). Procédé selon la revendication 12, dans lequel la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les pressions de gaz (Pan, Pca) dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s’assurant que la différence (lan - lca) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée
Figure imgf000026_0001
Procédé selon la revendication 12, dans lequel la commande du fonctionnement des deux vannes de commande de gaz (Van, Vca) est basée sur un modèle de commande permettant de réguler les niveaux de lessive (lan, ha) dans les séparateurs gaz-liquide anodique et cathodique (GLSan, GLSca) tout en s’assurant que la différence (pan - pca) entre les niveaux de lessive dans les séparateurs gaz-liquide (GLSan, GLSca) ne dépasse pas une valeur seuil donnée (àpmax). Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel :
- i) la valeur de la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz- liquide anodique (GLSan) est mesurée en continu pour la comparer à une valeur de référence fixe, ou à une courbe transitoire optimale ;
- ii) la valeur de la pression de gaz de dihydrogène (pca) dans le séparateur gaz-liquide cathodique (GLSca) est mesurée en continu pour la comparer à la pression de gaz de dioxygène (pan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) ;
- iii) le niveau de lessive anodique (lan) est mesuré en continu pour vérifier qu’il reste dans une plage sûre ;
- iv) le niveau de lessive cathodique (lan) est mesuré en continu afin de le comparer au niveau de lessive (lan) dans le séparateur gaz-liquide anodique (GLSan) ;
- v) la vanne de commande de gaz de dioxygène (van) est actionnée ;
- vi) la vanne de commande de gaz de dihydrogène (Fca) est actionnée.
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