Brevet FR3096981A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Composition à base de poudre de silicium pour la production d'hydrogène [0001] La présente invention concerne le domaine de la production d'hydrogène. [0002] Elle est plus particulièrement relative aux procédés de production d'hydrogène par décomposition de l'eau sous l'action de métaux ou métalloïdes. Arrière-plan de l'invention [0003] Dans le cadre de l'évolution vers une limitation de l'emploi des sources d'énergie fossiles et polluantes, l'hydrogène se présente comme l'une des solutions disponibles, en raison de sa qualité d'énergie décarbonée, dès lors que sa production ne fait pas appel à une utilisation importante d'énergie fossile. [0004] La combustion de l'hydrogène libère 120 MJ/kg soit 2,5 fois celle de l'essence, à 47,3 MJ/kg. Un système combinant une pile à combustible et un stockage d'hydrogène peut fournir jusqu'à 2 à 3 fois l'énergie spécifique d'une batterie Li-ion. 100051 Cependant la masse volumique de l'hydrogène est très faible (0,09 g/1) et impose un stockage sous forme comprimée ou liquide pour son transport (exception étant faite des usages industriels de l'hydrogène qui utilisent des pipe-lines). Sous 700 bars, un volume de 38 litres est nécessaire pour stocker 1 ka d'hydrogène, soit 26 kg E12/m3. Le coût du stockage à haute pression reste élevé et les consignes de sécurité vis-à-vis de telles pressions sont contraignantes. 100061 Des solutions alternatives ont été proposées pour le stockage de l'hydrogène sous forme "solide" : boranes, hydrures métalliques, métaux, ... 100071 L'utilisation de métaux décomposant l'eau sous l'action d'un acide ou d'une base en produisant de l'hydrogène, est connue depuis longtemps. 100081 L'aluminium a été très étudié en raison d'une faible stabilité en présence d'eau et d'un rapport masse hydrogène! masse métal élevé. 100091 Le silicium partage des caractéristiques assez similaires, mais offre un rapport masse H, / masse métal plus élevé (14,3% contre 11%). Par ailleurs, le silicium est beaucoup plus abondant dans la croûte terrestre que l'aluminium, soit 27% contre 8%, et moins coûteux que l'aluminium par kilogramme d'hydrogène produit. Enfin, la silice formée après réaction du silicium avec l'eau, selon la réaction (1), peut être recyclée par carbothermie ou par électrolyse en sel fondu, avec la possibilité d'utiliser une électricité dé-carbonée. 100101 Si + 2H20 -> 2H2 + Si02 (1) [0011] L'usage de silicium pour la production massive d'hydrogène a été mis en oeuvre durant la première guerre mondiale par la Royal Air Force. De la soude caustique était 2 utilisée, conduisant à la formation de silicate de sodium sous forme de gel ("water glass"). [0012] Les auteurs de la présente invention ont développé une technique de mise en oeuvre de poudres de silicium micrométriques qui, associées à des additifs appropriés et en présence d'eau, permet de produire de l'hydrogène de manière instantanée, avec des rendements qui peuvent être égaux ou supérieurs à 85%, par rapport à la quantité théorique (1,6 litre d'hydrogène normal / g Si). [0013] Les poudres de silicium micrométriques commercialisées ont des particules dont la taille est généralement comprise entre 0 et 10 microns et jusqu'à 0 à 150 microns, selon la normalisation des tamis. Ces particules de silicium se retrouvent naturellement recouvertes d'oxyde, dont l'épaisseur peut atteindre 1,6 nrn selon les conditions de stockage, la température et le degré hygrométrique étant des facteurs déterminants ("Oxidation of sil icon powdcr in humid air", Thèse Juin 2012, Anne Marthe Nyrnark). [0014] La pureté des poudres de silicium couvre un large spectre, de 95% à 99,999%, et le coût du silicium dépend bien sûr de sa pureté, comme de son mode d'obtention. [0015] Dans le cadre de la présente invention, la production d'hydrogène n'est pas affectée par la pureté du silicium. [0016] L'utilisation d'agents de corrosion isotropes du silicium est connue depuis le début des années 60. Ce sont des solutions alcalines, en particulier de potasse, dont l'action sur la cinétique de corrosion du silicium dépend de la concentration en alcali et de la température. Plus la concentration et la température sont élevées, plus la vitesse de corrosion est importante, comme le démontrent H. Seidel et al. (Journal of Electrochemical Society, 137, 1990, p. 3626-3622). [0017] Plusieurs articles et brevets préconisent l'utilisation de nanoparticules de silicium avec l'objectif de produire de l'hydrogène selon la réaction (1), en utilisant une solution faiblement alcaline (pH REVENDICATIONS[Revendication I] - Composition destinée à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau caractérisée en ce qu'elle comprend : - une poudre de silicium et - un additif apte à former un hydrocolloïde en présence d'eau. [Revendication 2] - Composition selon la revendication 1, dans laquelle la poudre de silicium est non dépassivéc, aucun traitement chimique ou mécanique qui aurait pour objet d'éliminer partiellement ou totalement la couche superficielle d'oxyde de silicium n'ayant été appliqué. [Revendication 3] - Composition selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la poudre de silicium présente une granulométrie comprise entre 0 et 150 microns. [Revendication 4] - Composition selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle l'additif apte à former un hydrocolloïde en présence d'eau est choisi parmi les polysaccharides, tels que les alginates, le carraghénane, les gommes arabiques, et les dévirés cellulosiques, tels que la méthylcellulose, la carboxyméthylcellulose et ses sels, l'hydroxypropylcellulose, l'hydroxypropylmethylcellulose, ces composés pouvant être utilisés seuls ou en mélange. [Revendication 5] - Composition selon la revendication 4, dans laquelle l'additif apte à former un hydrocolloïde en présence d'eau est la carboxyméthylcellulose. [Revendication 6] - Composition selon la revendication 5, dans laquelle le pourcentage massique de carboxyméthylcellulose par rapport à la masse des composants mis en oeuvre pour la décomposition de l'eau est commis entre 0,5% et 40%. [Revendication 7] - Composition selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un agent sous forme solide non soluble dans l'eau dont la réaction avec celle-ci est exothermique. [Revendication 8] - Composition selon la revendication 7, dans laquelle l'agent sous forme solide non soluble dans l'eau dont la réaction avec celle-ci est exothermique est l'oxyde de calcium. [Revendication 9] - Composition selon la revendication 8, dans laquelle le pourcentage massique d'oxyde de calcium par rapport à la masse des composants mis en oeuvre pour la décomposition de l'eau est compris entre 0,5% et 40%. [Revendication 10] - Kit destiné à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau, caractérisée en ce qu'il comprend : 13 [Revendication 11] - une composition comprenant une poudre de silicium et un additif apte à former un hydrocolloïde en présence d'eau selon l'une des revendications 1 à 9 ; et [Revendication 12] - un agent de corrosion sous forme solide et soluble dans l'eau. [Revendication 13] - Procédé de production d'hydrogène, caractérisé en ce qu'on met une composition selon l'une des revendications 1 à 9 en présence d'eau et d'un agent de corrosion sous forme solide et soluble dans l'eau, en vue de la production d'hydrogène. - Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'agent de corrosion est constitué de potasse et/ou de soude sous forme de poudre ou de granulés. - Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le pourcentage massique de l'agent de corrosion par rapport à la masse de l'ensemble des composants mis en oeuvre pour la décomposition de l'eau est compris entre 2% et 50%.