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WO 2013/007583
PCT/EP2012/063082
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Dispositif de production et de stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène et
système de pile à combustible associé
La présente invention concerne un dispositif de production et de stockage de
dioxygène et/ou de dihydrogène, du type comprenant :
- une source de dioxygène et de dihydrogène, et
- un réservoir haute pression, pour stocker le dioxygène,
respectivement le
dihydrogène, à haute pression, raccordé fluidiquement à la source.
Un tel dispositif est typiquement destiné à alimenter une pile à combustible,
pour la
production d'un courant électrique par réaction d'oxydoréduction entre le
dioxygène et le
dihydrogène.
ON 101546842 décrit un tel dispositif de production et de stockage de
dioxygène
et de dihydrogène, comprenant un électrolyseur pour produire le dioxygène et
le
dihydrogène par électrolyse de l'eau, un réservoir de dioxygène, et un
réservoir de
dihydrogène, le dispositif de production et de stockage alimentant une pile à
combustible.
Cependant, un tel dispositif ne donne pas entière satisfaction. En effet, lors
de
l'électrolyse de l'eau, il existe un risque que des molécules de dihydrogène
se retrouvent
dans le flux de dioxygène en sortie d'électrolyseur et inversement. La
présence de ces
molécules de dihydrogène, respectivement de dioxygène, constitue un risque
d'explosion
important, notamment lorsque le dioxygène, respectivement le dihydrogène, est
stocké
dans le réservoir à haute pression.
Il est donc nécessaire de contrôler la concentration de dihydrogène dans le
dioxygène produit par l'électrolyseur, et inversement.
Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif de production et de
stockage de dioxygène et/ou de dihydrogène présentant des risques d'explosions
limités,
ayant des coûts de fabrication et d'exploitation acceptables.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de production et de
stockage du
type précité, comprenant en outre :
- une ligne de dérivation reliant une sortie de dioxygène,
respectivement de
dihydrogène, de la source à une sortie de dioxygène, respectivement de
dihydrogène, du dispositif de production et de stockage, en dérivation du
réservoir haute pression, la ligne de dérivation étant alimentée au travers
d'un régulateur de pression pour réduire la pression dans la ligne de
dérivation, et
- un dispositif de mesure de la concentration de dihydrogène,
respectivement
de dioxygène, dans le dioxygène, respectivement dans le dihydrogène,
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produit par la source, le dispositif de mesure étant disposé sur la ligne de
dérivation.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, le dispositif de
production
et de stockage comprend également une ou plusieurs des caractéristiques
suivantes,
prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement
possible(s) :
- le dispositif de production et de stockage comprend une ligne basse pression
raccordant fluidiquement le réservoir haute pression à la sortie de dioxygène,
respectivement de dihydrogène, du dispositif de production et de stockage, la
ligne de
dérivation débouchant dans la ligne basse pression, la ligne basse pression
étant adaptée
pour stocker le dioxygène, respectivement le dihydrogène, transitant par la
ligne de
dérivation ;
- la ligne basse pression comprend un réservoir basse pression, pour stocker
le
dioxygène, respectivement le dihydrogène, transitant par la ligne de
dérivation ;
- la source de dioxygène, respectivement de dihydrogène, est un électrolyseur.
L'invention a également pour objet un système de pile à combustible,
comprenant
une pile à combustible adaptée pour produire un courant électrique par une
réaction
d'oxydoréduction entre du dioxygène et du dihydrogène, et un dispositif
d'alimentation de
la pile à combustible en dioxygène et en dihydrogène, dans lequel le
dispositif
d'alimentation comprend un dispositif de production et de stockage tel que
défini ci-
dessus.
L'invention a également pour objet un procédé de production et de stockage de
dioxygène et/ou de dihydrogène comprenant les étapes successives suivantes :
- production de dioxygène et de dihydrogène,
- stockage du dioxygène, respectivement du dihydrogène, produit,
dans un réservoir
haute pression, et
- détente du dioxygène, respectivement du dihydrogène, en sortie du réservoir
haute pression, pour alimenter un dispositif en dioxygène, respectivement en
dihydrogène, à basse pression,
le procédé comprenant en outre les étapes successives suivantes :
- prélèvement d'une portion du dioxygène, respectivement d'une portion du
dihydrogène, produit, avant son stockage dans le réservoir haute pression,
- détente de ladite portion de dioxygène, respectivement de
dihydrogène,
- mesure de la concentration en dihydrogène, respectivement en
dioxygène, dans la
portion de dioxygène, respectivement de dihydrogène, détendue, et
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-
mélange de la portion de dioxygène, respectivement de la partie de
dihydrogène,
avec le dioxygène, respectivement le dihydrogène, sortant du réservoir haute
pression.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la
description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se
référant aux
dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une représentation schématique d'un système de pile à
combustible selon l'invention,
- la Figure 2 est une vue schématique en coupe d'une cellule de pile à
combustible du système de pile à combustible de la Figure 1, et
- la Figure 3 est un schéma détaillé d'un dispositif d'alimentation du
système de
pile à combustible de la Figure 1.
Dans la suite, les termes amont et aval sont à entendre par rapport au
sens d'écoulement des fluides dans les différents circuits fluidiques.
Le système de pile à combustible 10, représenté sur la Figure 1, comprend une
pile à combustible 12, pour produire un courant électrique par une réaction
d'oxydoréduction entre un fluide oxydant et un fluide réducteur, et un système
13
d'alimentation de la pile à combustible 12 en fluide oxydant et en fluide
réducteur.
La pile à combustible 12 comprend un empilement 14 de cellules 15 de pile à
combustible. En variante (non représentée), la pile à combustible 12 comprend
plusieurs
empilements 14 raccordés fluidiquement les uns aux autres, en parallèle ou en
série.
Une cellule 15 de l'empilement 14 est représentée sur la Figure 2. Elle
comprend
un assemblage membrane-électrode 16 intercalé entre une plaque anodique 18 et
une
plaque cathodique 22.
L'assemblage membrane-électrode 16 comprend une membrane 26 d'échange
d'ions prise en sandwich entre une anode 28a et une cathode 28b.
La membrane 26 isole électriquement l'anode 28a de la cathode 28b.
La membrane 26 est généralement une membrane d'échange de protons, adaptée
pour ne laisser que des protons la traverser. La membrane 26 est typiquement
en
matériau polymère.
L'anode 28a et la cathode 28b comprennent chacune un catalyseur, typiquement
du platine ou un alliage de platine, pour faciliter la réaction.
La plaque anodique 18 délimite un conduit anodique 20 pour la circulation du
fluide réducteur le long de l'anode 28a et en contact avec celle-ci. Pour ce
faire, la plaque
18 est munie d'au moins un canal ménagé dans la face de la plaque tournée vers
l'assemblage membrane-électrode 16 et refermé par ledit assemblage membrane
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électrode 16. La plaque anodique 18 est formée d'un matériau conducteur
électriquement,
typiquement du graphite. Le fluide réducteur utilisé est un fluide comprenant
du
dihydrogène, comme par exemple du dihydrogène pur.
La plaque cathodique 22 délimite un conduit cathodique 24 pour la circulation
du
fluide oxydant le long de la cathode 28b et en contact avec celle-ci. Pour ce
faire, la
plaque 22 est munie d'au moins un canal ménagé dans la face de la plaque
tournée vers
l'assemblage membrane-électrode 16 et refermé par ledit assemblage membrane
électrode 16. La plaque cathodique 22 est formée d'un matériau conducteur
électriquement, typiquement du graphite. Le fluide oxydant utilisé est un
fluide
comprenant du dioxygène, comme par exemple du dioxygène pur ou un mélange
d'air et
de dioxygène.
La membrane 26 sépare les fluides oxydant et réducteur. Elle est disposée
entre
la plaque anodique 18 et la plaque cathodique 22 de la cellule 15 et isole
celles-ci
électriquement l'une de l'autre.
L'anode 28a est en contact électrique avec la plaque anodique 18. La cathode
28b
et est en contact électrique avec la plaque cathodique 22. C'est au niveau de
l'anode 28a
qu'a lieu l'oxydation du fluide réducteur et que les électrons et les protons
sont générés.
Les électrons transitent ensuite via la plaque anodique 18 vers la cathode 28b
de la
cellule 15, ou vers la cathode d'une autre cellule, pour participer à la
réduction du fluide
oxydant.
Dans l'empilement 14, la plaque anodique 18 de chaque cellule est en contact
avec la plaque cathodique 22 de la cellule voisine. Les plaques anodique et
cathodique
18, 22 assurent ainsi le transfert des électrons du fluide réducteur circulant
dans une
cellule vers le fluide oxydant circulant dans une autre cellule. Les plaques
anodique 18 et
cathodique 22 de deux cellules voisines de l'empilement 18 sont de préférence
venues de
matière et forment ensemble une plaque bipolaire.
De retour à la Figure 1, les conduits anodiques 20 des cellules 15 sont
raccordés
fluidiquement les uns aux autres et forment ensemble un compartiment anodique
30 de
l'empilement 14, et les conduits cathodiques 22 des cellules 15 sont raccordés
fluidiquement les uns aux autres et forment ensemble un compartiment
cathodique 32 de
l'empilement 14. Sur la Figure 1, le compartiment anodique 30 est représenté
schématiquement en traits pointillés et le compartiment cathodique 32 est
représenté
schématiquement en traits mixtes.
Les cellules 15 sont maintenues empilées grâce à des plaques de serrage 34
disposées aux extrémités de l'empilement 14. Des boulons de serrage 36
exercent une
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force de serrage sur les plaques 34 pour les maintenir en compression contre
les cellules
15.
Le système d'alimentation 13 est adapté pour alimenter le compartiment
anodique
30 en fluide réducteur et le compartiment cathodique 32 en fluide oxydant. Il
comprend un
5 dispositif de production et de stockage de dioxygène et de dihydrogène
40, représenté sur
la Figure 3.
Le dispositif de production et de stockage 40 comprend une source 42 de
dioxygène et de dihydrogène, une sortie de dioxygène 44, une sortie de
dihydrogène 46,
un premier circuit fluidique 48, raccordant une sortie de dioxygène 49A de la
source 42 à
la sortie de dioxygène 44, et un deuxième circuit fluidique 50, raccordant une
sortie de
dihydrogène 49B de la source 42 à la sortie de dihydrogène 46.
La source 42 est typiquement un électrolyseur, adapté pour produire le
dioxygène
et le dihydrogène par électrolyse. De préférence, le dioxygène et le
dihydrogène sont
produits par la source 42 à des pressions élevées.
Les sorties de dioxygène 44 et de dihydrogène 46 comprennent chacune une
vanne 51 pour sélectivement fermer et ouvrir la sortie, respectivement 44, 46.
Ainsi, le
dioxygène et le dihydrogène produits peuvent être stockés dans le dispositif
40 avant
d'alimenter la pile à combustible 12.
Le premier circuit fluidique 48 comprend un premier réservoir haute pression
52
pour stocker le dioxygène à haute pression, une ligne de canalisation haute
pression 54,
raccordant fluidiquement la source 42 au premier réservoir haute pression 52,
et une ligne
de canalisation basse pression 56, raccordant fluidiquement le réservoir haute
pression
52 à la sortie de dioxygène 44.
La ligne haute pression 54 est adaptée pour conduire le dioxygène produit par
la
source 42 à haute pression jusqu'au réservoir haute pression 52.
La ligne basse pression 56 est adaptée pour conduire le dioxygène produit,
sous
une pression régulée, du réservoir 52 jusqu'à la sortie 44. Le premier circuit
fluidique 48
comprend un régulateur de pression 58 disposé en sortie du réservoir haute
pression 52
pour réduire la pression de dioxygène dans ligne basse pression 56 par rapport
à la
pression de stockage du dioxygène dans le réservoir haute pression 52.
Le premier circuit fluidique 48 comprend en outre une ligne de dérivation 60
raccordant fluidiquement la sortie de dioxygène 49A de la source 42 à la
sortie de
dioxygène 49A du dispositif de production et de stockage 40. La ligne de
dérivation 60 est
installée en dérivation du réservoir haute pression 52, c'est-à-dire qu'elle
est adaptée pour
qu'une partie du dioxygène produit par la source 42 rejoigne la sortie de
dioxygène 44
sans traverser le réservoir haute pression 52.
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La ligne de dérivation 60 s'alimente dans la ligne haute pression 54 en amont
du
réservoir 52 et débouche dans la ligne basse pression 56. En particulier, elle
s'alimente
dans la ligne haute pression 54 par l'intermédiaire d'un régulateur de
pression 62, destiné
à réduire la pression dans la ligne de dérivation 60 par rapport à la pression
de dioxygène
dans la ligne haute pression 54.
La ligne basse pression 56 est adaptée pour stocker le dioxygène ayant
transité
par la ligne de dérivation 60. A cet effet, elle comprend, de préférence,
comme
représenté, un réservoir basse pression 64. Le réservoir basse pression 64 est
typiquement constitué par un élargissement local de la ligne basse pression
56.
Comme évoqué précédemment, une partie du dihydrogène produit est présent
dans le dioxygène convoyé par le premier circuit fluidique 48. Il est
nécessaire de mesurer
la concentration du dihydrogène dans le dioxygène pour limiter les risques
d'explosion. A
cet effet, le dispositif de production et de stockage 40 comprend également un
dispositif
70 de mesure de la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit par
la source
42.
Le dispositif de mesure 70 est disposé sur la ligne de dérivation 60, à basse
pression. Ainsi, le dispositif de mesure est adapté pour mesurer la
concentration de
dihydrogène dans le dioxygène à basse pression, et des dispositifs de mesure
relativement peu onéreux peuvent être utilisés pour constituer le dispositif
mesure 70.
De préférence, le dispositif de production et de stockage 40 comprend
également
un module (non représenté) adapté pour réguler la réaction d' électrolyse au
niveau de la
source 42 en fonction de la concentration en dihydrogène mesurée par le
dispositif de
mesure 70.
Le deuxième circuit fluidique 50 comprend un deuxième réservoir haute pression
82 pour stocker le dihydrogène à haute pression, une ligne de canalisation
haute pression
84, raccordant fluidiquement la source 42 au deuxième réservoir haute pression
82, et
une ligne de canalisation basse pression 86, raccordant le réservoir haute
pression 82 à
la sortie de dihydrogène 46.
La ligne haute pression 84 est adaptée pour conduire le dihydrogène produit
par la
source 42 à haute pression jusqu'au réservoir haute pression 82.
La ligne basse pression 86 est adaptée pour conduire le dihydrogène produit,
sous
une pression régulée, du réservoir 82 jusqu'à la sortie 46. Le deuxième
circuit fluidique 50
comprend un régulateur de pression 88 en sortie du réservoir 82 pour réduire
la pression
de dihydrogène dans la ligne basse pression 86 par rapport à la pression de
stockage du
dihydrogène dans le réservoir haute pression 82. Un procédé d'alimentation de
la pile à
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combustible 12 par le dispositif de production et de stockage 40 va maintenant
être décrit,
en regard de la Figure 3.
Dans un premier temps, la source 42 produit le dioxygène et le dihydrogène par
électrolyse et les vannes 51 sont chacune en configuration fermée. Le
dihydrogène
produit est stocké dans le deuxième réservoir haute pression 82. La majeure
partie du
dioxygène produit est stockée dans le premier réservoir haute pression 52.
Pendant ce
temps, une petite portion du dioxygène produit est prélevée dans la ligne
haute pression
54, est détendue au travers du régulateur de pression 62 et transite par la
ligne de
dérivation 60, où la concentration de dihydrogène dans le dioxygène produit
est mesurée
par le dispositif 70, avant que la petite portion de dioxygène ne soit stockée
dans la ligne
basse pression 56.
Puis, dans un deuxième temps, les vannes 51 sont basculées en configuration
ouverte. Le dioxygène et le dihydrogène stockés s'écoulent hors des réservoirs
52, 82 et
sont détendus au travers des régulateurs de pression 58, 88. Le dioxygène
sortant du
réservoir 52 se mélange alors à la petite portion de dioxygène stockée dans la
ligne basse
pression 56. Puis le dioxygène et le dihydrogène sortent du dispositif de
production et de
stockage 40 à travers, respectivement, la sortie 44 et la sortie 46. De
préférence, la
source 42 ne produit pas de dioxygène et de dihydrogène pendant ce deuxième
temps.
Grâce à l'invention, il est ainsi possible de mesurer la concentration de
dihydrogène dans le dioxygène produit, à moindre coût de fabrication et
d'exploitation. En
effet, le dispositif de mesure utilisé peut être peu coûteux puisque la mesure
est faite à
basse pression. En outre, le gaz utilisé pour la mesure de la concentration en
dihydrogène est également utilisé pour alimenter la pile à combustible, ce qui
permet de
limiter les pertes de gaz et donc de réduire les coûts d'exploitation.
De plus, le fait de mesurer la concentration de dihydrogène dans le dioxygène
par
prélèvement dans le flux de dioxygène en amont du réservoir haute pression
permet une
mesure directe de la concentration de dihydrogène, pendant le remplissage du
réservoir
haute pression et sans risque de dilution du dihydrogène dans un fluide resté
stagnant
dans le circuit fluidique.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, seule la concentration de dihydrogène dans le
dioxygène produit est mesurée. En variante (non représentée), le deuxième
circuit
fluidique 50 comprend un dispositif de mesure de la concentration de dioxygène
dans le
dihydrogène, et le deuxième circuit fluidique 50 est conformé de façon
similaire au
premier circuit fluidique 48 de façon à permettre la mesure de la
concentration en
dioxygène à basse pression et sans perte de fluide.
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En variante encore (non représentée), seul le deuxième circuit fluidique 50
est
adapté pour permettre une mesure de la concentration en dioxygène dans le
dihydrogène
produit à basse pression et sans perte de fluide, le premier circuit fluidique
48 ne
comprenant alors pas la ligne de dérivation 60.
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