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WO 2012/123290 1 PCT/EP2012/053828
Déstockage d'hydrogène dans une unité génératrice électrochimique
comprenant une pile à hydrogène
La présente invention concerne une unité génératrice électrochimique
comprenant une pile à hydrogène et un procédé pour déstocker de l'hydrogène
dans une telle unité.
L'unité génératrice électrochimique comprend outre la pile à hydrogène un
réservoir de stockage pour stocker de l'hydrogène. Les réservoirs de stockage
sont le plus souvent des bouteilles qui stockent sous une pression très élevée
l'hydrogène. Les bouteilles doivent être réapprovisionnées.
L'hydrogène peut être produit par électrolyse de l'eau pour éviter un
approvisionnement en combustible. Dans ce cas, l'hydrogène produit par un
électrolyseur doit être compressé sous pression très élevée et stocké dans des
bouteilles sur site ce qui requiert des moyens lourds, complexes et coûteux
incompatibles avec une unité génératrice électrochimique transportable. En
outre, la réglementation sur le stockage d'hydrogène sous haute pression est
contraignante et le stockage d'hydrogène dans les bouteilles doit être
sécurisé
par un gardiennage. Une source d'alimentation en eau doit être prévue sur le
site pour le fonctionnement de l'électrolyseur.
Pour remédier aux inconvénients du stockage de l'hydrogène dans des
bouteilles, des réservoirs de stockage d'hydrogène fondés sur une réaction
d'hydruration réversible ont été conçus récemment. Cependant une unité
génératrice électrochimique comportant une pile à hydrogène, un électrolyseur
et un réservoir de stockage d'hydrogène de ce type n'est pas autonome en eau
pour l'électrolyseur.
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités afin de rendre
autonome notamment en eau une unité génératrice électrochimique à pile à
hydrogène.
A cette fin, un procédé pour déstocker de l'hydrogène stocké en un
hydrure, qui comprend simultanément un transfert de chaleur d'un air chargé
de vapeur d'eau à une réaction endothermique de l'hydrure en un alliage et en
hydrogène et une condensation de la vapeur d'eau en eau de condensation,
est caractérisé en ce qu'il comprend un forçage de l'air chargé de vapeur
d'eau
sur un échangeur thermique en contact avec l'hydrure, de manière à faciliter
le
transfert de chaleur de l'air chargé de vapeur d'eau à la réaction
endothermique.
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Ainsi selon l'invention, l'autonomie en eau à fournir à un électrolyseur
dans une unité génératrice électrochimique à pile à hydrogène est acquise
grâce à une condensation de la vapeur d'eau qui est en suspension dans l'air
sur le site d'installation de l'unité génératrice, en eau de condensation
pendant
le déstockage d'hydrogène.
L'alliage peut être à base d'une terre rare et d'un métal.
Afin de recueillir de l'eau destinée à l'électrolyseur sans que l'eau ne gèle,
la diminution de la température de l'air chargé de vapeur d'eau au cours du
transfert de chaleur ne doit pas être supérieure à la température de rosée de
l'air.
En fonction des conditions climatiques du site d'installation de l'unité
génératrice, l'air chargé de vapeur d'eau peut comprendre pour partie de l'air
chaud chargé de vapeur d'eau dégagé par la pile à hydrogène recevant
l'hydrogène déstocké.
Le procédé peut comprendre en outre une électrolyse de l'eau de
condensation pour produire de l'hydrogène à stocker en l'hydrure, en
particulier lorsque l'unité génératrice comprend un électrolyseur.
L'invention concerne également une unité génératrice électrochimique
comprenant une pile à hydrogène et un réservoir de stockage apte à stocker de
l'hydrogène en un hydrure pour déstocker de l'hydrogène vers la pile. L'unité
génératrice est caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen apte à coopérer
avec le réservoir de stockage pour simultanément transférer de la chaleur d'un
air chargé de vapeur d'eau à une réaction endothermique de l'hydrure en un
alliage et en hydrogène et condenser de la vapeur d'eau en eau de
condensation.
Selon une réalisation particulière, ledit moyen apte à coopérer avec le
réservoir de stockage d'hydrogène peut comprendre un condenseur pour
condenser de la vapeur d'eau en eau de condensation, un échangeur
thermique qui est apte à être en contact avec l'air chargé de vapeur d'eau
dans
le condenseur et avec l'hydrure dans le réservoir de stockage, et un moyen de
convection dans le condenseur pour forcer l'air chargé de vapeur d'eau sur
l'échangeur thermique. Dans cette réalisation sont alors prévus un réservoir-
collecteur d'eau pour collecter l'eau de condensation, et un électrolyseur
apte à
être alimenté électriquement pour produire de l'hydrogène à stocker en
l'hydrure dans le réservoir de stockage par électrolyse de l'eau de
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condensation collectée. Un purificateur peut être prévu pour purifier l'eau de
condensation collectée en eau purifiée à fournir à l'électrolyseur.
Si les conditions climatiques du site d'installation de l'unité génératrice
sont insuffisantes pour fournir de l'air suffisamment humide à
l'électrolyseur, le
moyen de convection dans le condenseur peut être apte à forcer de l'air
extérieur chargé de vapeur d'eau et de l'air chaud chargé de vapeur d'eau
dégagé par la pile à hydrogène sur l'échangeur thermique.
Comme on le verra par la suite, l'unité génératrice électrochimique peut
servir à pallier une panne ou une insuffisance de puissance électrique générée
par une source de puissance électrique intermittente, telle qu'une source
d'énergie renouvelable ou un réseau de distribution électrique, devant
alimenter un équipement électrique. Afin d'accroître la longévité de la pile à
hydrogène, la pile peut être apte à alimenter l'équipement électrique et à
charger des batteries pendant le déstockage de l'hydrogène dès que la
puissance des batteries est à un premier seuil de puissance, tel qu'un seuil
de
décharge et jusqu'à ce que les batteries chargées par la pile atteignent un
second seuil de puissance, tel qu'un seuil de pleine charge, supérieur au
premier seuil.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de
plusieurs
réalisations de l'invention données à titre d'exemples non limitatifs, en
référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels la figure unique
1 est un bloc-diagramme schématique d'une unité génératrice électrochimique
à hydrogène incluse dans un système d'alimentation électrique.
En référence à la figure 1, une unité génératrice électrochimique 1
comprend sous forme de modules qui peuvent être transportables, une pile à
hydrogène 10, un électrolyseur 11, un réservoir de stockage d'hydrogène 12,
un condenseur 13, un réservoir-collecteur d'eau 14 et un purificateur d'eau
16.
Selon la réalisation illustrée, le fonctionnement de l'unité génératrice
électrochimique 1 est géré par une unité de gestion d'alimentation électrique
2
pour gérer la charger d'un module de stockage d'énergie électrique 3
comprenant des batteries 31 et l'alimentation d'un équipement électrique 4 et
de l'unité 1.
L'équipement électrique 4 fait office de charge électrique de l'unité
génératrice électrochimique 1 et est par exemple une station de
télécommunications fonctionnant en émetteur et récepteur pour terminaux
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mobiles et communiquant avec au moins un équipement terrestre de
centralisation de télécommunications ou un satellite de télécommunications.
L'équipement 5 est alimenté en permanence sous le contrôle de l'unité de
gestion 2, avec une puissance électrique de fonctionnement variable en
fonction des services assurés par l'équipement. Par exemple, l'équipement est
alimenté sous une tension continue de 48 V correspondant à la tension
nominale en sortie des batteries 31.
La pile à hydrogène 10 est par exemple de technologie à membrane
d'échange de protons PEM ("Proton Exchange Membrane" en anglais).
L'hydrogène sous forme de dihydrogène est déchargé du module de stockage
d'hydrogène 12 via une conduite 16 ayant une électrovanne 16EV ouverte
sous la commande de l'unité de gestion 2, pour s'oxyder à l'anode 10A de la
pile. L'oxygène provenant de l'air ambiant est réduite sur la cathode 10C de
la
pile avec un échange d'ions pour fournir du courant électrique en sortie de la
pile 10 et de l'air chargé de vapeur d'eau dans une conduite 17P qui, selon
une
variante, peut être reliée au condenseur 13.
Sous la commande de l'unité de gestion 2, l'électrolyseur 11 peut être
alimenté en électricité par les batteries 31. L'électrolyseur 11 est alimenté
en
eau par le réservoir-collecteur 14 à travers une conduite 18 ayant une
électrovanne 18EV ouverte sous la commande de l'unité de gestion 2, et à
travers le purificateur d'eau 15. L'électrolyseur opère à faible pression et
basse
température pour décomposer l'eau collectée et purifiée en oxygène et en
hydrogène. A l'anode 11A de l'électrolyseur, l'oxygène s'échappe dans l'air. A
la cathode 11C de l'électrolyseur, l'hydrogène est produit sous faible
pression
pour être stocké dans le réservoir 12 via une conduite 19 ayant une
électrovanne 19EV ouverte sous la commande de l'unité de gestion 2. Par
exemple, l'électrolyseur 11 est compact et comprend un électrolyte à l'état
solide comme une membrane polymère PEM. L'électrolyse de l'eau est
déclenchée dans l'électrolyseur 11 par un apport d'électricité en sortie de
l'unité de gestion 2 qui gère la durée de l'électrolyse et de l'ouverture des
électrovannes 18EV et 19EV jusqu'à ce que le réservoir de stockage
d'hydrogène 42 soit plein.
Le réservoir de stockage d'hydrogène 12 et le condenseur de vapeur
d'eau 13 sont sous la forme d'au moins un conteneur.
Le réservoir 12 contient par exemple des caissons 12C, qui peuvent être
sous forme de bouteilles et qui sont empilés verticalement suivant la
réalisation
illustrée. Chaque caisson 12C a une entrée de stockage 12S raccordée à la
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conduite 19 pour stocker directement l'hydrogène produite par la cathode 11C
de l'électrolyseur 11 et une sortie de déstockage 12D raccordée à la conduite
16 pour déstocker directement l'hydrogène vers l'anode 10A de la pile 10. En
variante, l'entrée 42S et la sortie 42D sont réunies en une seule bouche de
5 stockage/déstockage du caisson.
Le condenseur 13 est par exemple sous la forme d'une colonne creuse
métallique ayant en partie haute une entrée d'admission d'air 13AE pour
admettre de l'air ambiant 17E, et en partie basse une sortie d'échappement
d'air 13S vers l'extérieur et une sortie de récupération d'eau de condensation
13EC dirigée vers le réservoir-collecteur d'eau 14. Le condenseur 13 contient
un système de convection forcé d'air et un échangeur thermique. Le système
de convection est par exemple constitué par un ventilateur électrique 13V
commandé par l'unité de gestion 2 et disposé en partie haute devant l'entrée
d'air 13AE. L'échangeur thermique est par exemple sous la forme d'un
radiateur 13R ayant des ailettes orientées vers l'intérieur du condenseur 13
pour être au contact de l'air ventilé et un socle constituant une cloison
thermiquement conductrice, par exemple en graphite, commune au condenseur
et aux caissons 12C du réservoir de stockage 12.
Le réservoir-collecteur d'eau 14 comprend une cuve pour collecter par
gravité de l'eau de condensation 13EC qui est produite par le condenseur 13.
Optionnellement, le réservoir-collecteur 14 collecte de l'eau de pluie 14p. Le
réservoir-collecteur 14 est relié par la conduite 18 dont l'électrovanne 18EV
est
ouverte sous la commande de l'unité de gestion 2 pour alimenter en eau le
purificateur 15 et l'électrolyseur 11 lorsque celui-ci est alimenté
électriquement
SOuS la commande de l'unité de gestion 2 pour produire de l'hydrogène à
stocker. Le purificateur 15 purifie l'eau collectée pour satisfaire la qualité
d'eau
requise par l'électrolyseur 11.
Le réservoir de stockage d'hydrogène 12 stocke directement l'hydrogène
produit par l'électrolyseur 11 et fournit directement de l'hydrogène en tant
que
vecteur énergétique à la pile à hydrogène 10. Le réservoir 12 est chargé avec
l'hydrogène produit à une pression basse typiquement d'une dizaine de bar par
l'électrolyseur 11 via l'électrovanne 19EV ouverte sous la commande de l'unité
de gestion 2 dans la conduite 19. Chaque caisson 12C dans le réservoir 12
contient un alliage à base de terre rare et de métal, tel qu'un alliage de
lanthane et nickel, au contact du socle du radiateur 13R.
Lors du stockage d'hydrogène exothermique, l'alliage présentant une
capacité d'adsorption massique réversible élevée adsorbe l'hydrogène produit
par l'électrolyseur 11 pour former un substrat d'hydrure, tel que l'hydrure
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LaNi5H6, avec un dégagement de chaleur vers l'extérieur. Ce stockage direct
de l'hydrogène produit ne recourt pas à une compression de plusieurs
centaines de bar de l'hydrogène comme pour le stockage d'hydrogène gazeux
ou liquide dans des bouteilles et présente un rendement énergétique très
élevé.
La réaction d'hydruration étant réversible, le réservoir 12 déstocke
l'hydrogène stocké par désorption au moyen d'un transfert de la chaleur
fournie
par l'air 17E admis dans le condenseur 13 à la réaction endothermique
transformant l'hydrure en alliage et hydrogène. L'hydrogène est déstocké sous
une pression de déstockage plus faible et sous une température plus élevée,
via la conduite de décharge 16 avec l'électrovanne 16EV ouverte par l'unité de
gestion 2. La pression de déstockage de quelques bars est plus faible que
celle du stockage d'hydrogène et sensiblement supérieure à la pression
atmosphérique et correspond à la pression de la pile 10. Le métal passe alors
de l'état d'hydrure à son état d'origine prêt à stocker de l'hydrogène produit
à
nouveau. Pour le déstockage d'hydrogène, le ventilateur 13V est mis en
fonctionnement par l'unité de gestion 2 afin que la quantité de chaleur
nécessaire à la désorption soit apportée par l'air extérieur relativement
humide
17E. L'air 13F forcé par le ventilateur 13V dans le condenseur 13, par exemple
avec un débit de 1m3/s environ, se refroidit au contact des ailettes du
radiateur
13R dont le socle est en contact avec l'hydrure qui prélève la chaleur
nécessaire au déstockage d'hydrogène endothermique.
Lors du refroidissement de l'air forcé 13F dans le condenseur au cours de
l'échange thermique avec l'hydrure via le radiateur 13R, la température de
l'air
passe à une température d'environ 1 C, supérieure à la température de rosée
de l'air, sans que l'eau de condensation n'atteigne la température de
congélation et ne gèle, afin de transformer la vapeur d'eau saturée en eau
liquide 13EC récupérable par le réservoir-collecteur 14. Un contrôleur dans
l'unité de gestion 2 est relié à un thermomètre dans le condenseur 13 pour
surveiller que la température à la surface du radiateur 13R n'atteigne pas 0
C.
Le réservoir 12 et le condenseur 13 sont dimensionnés de sorte que le
condenseur fournisse suffisamment d'eau à l'électrolyseur via le purificateur
15
et de sorte que l'électrolyseur fournisse suffisamment d'hydrogène à stocker
pour que la pile 10 fournisse rapidement de l'énergie électrique aux batteries
31 à recharger typiquement en quelques heures, tout en alimentant
l'équipement 4. Cycliquement sous la commande de l'unité de gestion 2, les
batteries 31 sont chargées rapidement par la pile 40, et se déchargent
lentement pour alimenter l'équipement 4. La quantité de chaleur retirée par le
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réservoir de stockage 12 excède les besoins en eau de l'électrolyseur pour la
production d'hydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile pendant la
recharge des batteries depuis une puissance de décharge P3m à une
puissance de pleine charge P3M. Par exemple, pendant le déstockage
d'hydrogène, 3 litres d'eau de condensation environ peut être produit en
seulement 60 minutes environ et serviront à la production de 3,75 Nm3 (Normal
mètre cube) d'hydrogène par l'électrolyseur. La consommation en hydrogène
de la pile pour 4 kW pour 3h est de 11 Nm3 environ et permet la production de
9 litres d'eau de condensation environ ainsi que la production de 12 kWh pour
recharger rapidement les batteries. Une réserve d'eau renouvelable lors de la
maintenance annuelle de l'unité 1 peut être prévue pour cette variante.
En variante, si l'hygrométricité et/ou la température de l'air sur le site
d'installation de l'unité 1 sont trop faibles ou deviennent trop faibles, la
chaleur
apportée par l'air extérieur 17E et à prélever par le réservoir 12 via le
radiateur
13R pendant le déstockage peut être comblée par le flux d'air chaud 17P
chargé de vapeur d'eau, dégagé par la réaction chimique dans la pile 10 qui
est en fonctionnement lors du déstockage. Dans cette variante, l'air chaud 17P
chargé de vapeur d'eau est amené de la pile 10 par une conduite à une entrée
d'admission 13AP du condenseur 13 devant le ventilateur 13V. La vapeur
d'eau produite par le fonctionnement de la pile à hydrogène 10 ne fournit pas
assez d'eau de condensation 13EC pour qu'une réserve d'hydrogène dans le
réservoir 12 produite par l'électrolyseur 11 soit suffisante à la production
d'électricité de la pile 10 nécessaire à la recharge des batteries 31.
Selon une première utilisation de l'unité génératrice électrochimique 1,
l'unité de gestion 2 est couplée à une source de puissance électrique
intermittente 5 afin que la source intermittente alimente en priorité
l'équipement
électrique 4.
La source de puissance intermittente 5 peut être un dispositif d'énergie
renouvelable comprenant un module éolien et un module d'énergie solaire. Le
module éolien peut comprendre une ou plusieurs génératrices éoliennes. Le
module d'énergie solaire peut comprendre un ou plusieurs panneaux solaires
photovoltaïques. L'unité 1 sert à pallier une longue période prédéterminée
sans
vent et sans ensoleillement, par exemple d'au moins 10 jours environ, et donc
une inactivité de la source intermittente 5 pendant laquelle l'équipement
électrique 4 est d'abord alimenté par les batteries 31, ou le cas échéant par
l'unité génératrice électrochimique 1 lorsque les batteries sont à recharger.
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Selon une deuxième utilisation, la source de puissance intermittente 5 est
un réseau de distribution d'énergie électrique local, et l'unité génératrice
électrochimique 1 avec les batteries 31 sert de générateur électrique de
secours en cas de défaillance du réseau électrique local pour continuer à
alimenter l'équipement 5. La défaillance du réseau électrique local peut être
due à une panne plus ou moins fréquente, mais aussi à une détérioration du
réseau faisant suite à une catastrophe naturelle, comme une tempête, un
séisme ou un tsunami.
Pour ces utilisations, l'unité de gestion 2 peut comprendre des
commutateurs reliés à la source intermittente 5 et à l'unité génératrice
électrochimique 1, des convertisseurs de courant incluant chacun un régulateur
de charge et reliés aux batteries 31, à l'équipement 4 et à l'unité
génératrice
électrochimique 1, et un contrôleur pour commander les commutateurs et les
convertisseurs et l'unité 1 en fonction de la puissance fournie par la source
5 et
de la consommation en courant de l'équipement 4, des batteries 31 et de
l'électrolyseur 11. L'unité de gestion 2 peut comprendre des commutateurs
reliés à la source intermittente 5 maintient la continuité de l'alimentation
électrique de l'équipement 4 en recourant le moins possible à l'unité
génératrice électrochimique 1 pour alimenter l'équipement 4 et l'unité 2 ce
qui
accroît la longévité de l'unité génératrice électrochimique et l'autonomie du
système d'alimentation 1-5 et réduit la maintenance de celui-ci, et en
recourant
le plus possible à la source intermittente 5 et aux batteries 31 pour
alimenter
l'équipement. En effet, la longévité de la pile à hydrogène incluse dans
l'unité
génératrice est indépendante de la puissance qu'elle délivre, mais est
dépendante du nombre d'activation-désactivation de la pile, tandis qu'une
batterie a une longévité élevée de plusieurs années même si elle subit un
nombre très élevé de charges et décharges. Les conditions précitées diminuent
également la fréquence de la maintenance du système d'alimentation, en
particulier de l'unité génératrice électrochimique.
D'une part, l'électrolyseur 41 ne produit et stocke de l'hydrogène dans le
réservoir 42 lorsque l'électrolyseur, l'équipement 4 et l'unité 2 sont
alimentés
par la source intermittente 5 que si la double condition très particulière
suivante est satisfaite: la puissance de la source intermittente 5 excède la
puissance de fonctionnement de l'équipement et les batteries 31 ont une
puissance au moins égale à un premier seuil de puissance, tel qu'un seuil de
pleine charge.
D'autre part, le déstockage d'hydrogène du réservoir 12 vers la pile 10 et
simultanément une alimentation de l'équipement 4 et de l'unité 2 par la pile
et
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un chargement des batteries 31 par la pile 10 ne sont réalisés que dès que la
puissance des batteries atteint un second seuil de puissance, tel qu'un seuil
de
décharge, inférieur au premier seuil et jusqu'à ce que les batteries chargées
par la pile atteignent la puissance de pleine charge.
En dehors des conditions particulières définies ci-dessus, l'équipement 4
et l'unité 2 sont alimentés par la source 5 et/ou les batteries 31 tant que la
puissance des batteries demeure comprise entre les deux seuls de puissance,
sans recourir à l'énergie stockée dans le réservoir 12 et donc à l'énergie
générée par la pile 10. Lorsque la puissance de la source intermittente 5
excède la puissance de fonctionnement de l'équipement 4 et les batteries 31
n'ont pas la puissance de pleine charge, la source intermittente alimente
l'équipement 4 et l'unité de gestion 2 et charge les batteries 31 si
nécessaire.
Lorsque la puissance de la source intermittente 5 est inférieure à la
puissance
de fonctionnement de l'équipement 4 et les batteries 31 ont une puissance
supérieure au deuxième seuil de puissance, c'est-à-dire comprise entre le
seuil
de décharge et la puissance de pleine charge, au moins les batteries 31, c'est-
à-dire soit les batteries 31 et la source intermittente 5, soit seulement les
batteries 31 si la puissance de la source est nulle, alimentent l'équipement 4
et
l'unité de gestion 2.
Afin d'accroître encore la longévité du système d'alimentation, les
batteries 31 peuvent être au lithium-ion afin d'offrir une longévité de
plusieurs
années, avec un très grand nombre de cycle de charge-décharge des
batteries.
En variante, plusieurs unités génératrices électrochimiques 1 gérées par
l'unité de gestion 2 peuvent être connectées en parallèle. Le nombre d'unités
1
dépend de la capacité des batteries et de la rapidité souhaitée de la recharge
des batteries par les piles à hydrogène incluses dans les unités génératrices
électrochimiques. En variante, un réservoir de stockage d'hydrogène, un
condenseur, un réservoir-collecteur d'eau et un purificateur d'eau sont
communs aux unités 1 comprenant chacune une pile à hydrogène individuelle
10 et un électrolyseur individuel 11.
