Brevet FR3088939A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Compresseur électrochimique à état solide [0001] La présente invention concerne un compresseur à état solide pour la compression électrochimique d'un fluide. L'invention concerne en particulier un compresseur à état solide comprenant un ou plusieurs ensembles de cellules électrochimiques. [0002] Alors que les compresseurs mécaniques classiques utilisent des moyens mécaniques tels que des pistons ou des rotors pour la compression d'un fluide, les compresseurs à état solide reposent sur le transport électrochimique dudit fluide à travers une membrane en utilisant un mécanisme de transport ionique Afin de comprimer le fluide de travail de manière électrochimique, un compresseur à état solide comprend généralement une cellule de compresseur composée d'un ou plusieurs ensembles membrane-électrodes empilés (également appelés MEA, en anglais « membrane electrode assembly »). Les électrodes du MEA sont connectées à une alimentation électrique pour maintenir une différence de potentiel électrique entre les électrodes. Cette différence de potentiel est nécessaire pour déplacer électrochimiquement le fluide de travail ionisé à travers la membrane d'échange de protons (communément appelée PEM, en anglais « proton exchange membrane ») contre le gradient de pression qui existe à travers la membrane. La direction du courant électrique détermine ainsi la direction du transport ionique, dans lequel le fluide de travail à basse pression est ionisé à l'anode chargée positivement et est recombiné avec les électrons séparés du côté cathode à haute pression du MEA. [0003] Un compresseur à état solide communément connu est le compresseur électro- chimique d'hydrogène, dans lequel l'hydrogène est amené à la cellule de compresseur et oxydé en protons et en électrons. Les protons sont ensuite entraînés à travers la membrane et les électrons sont transférés par un circuit externe, après quoi les protons et les électrons sont réduits en hydrogène moléculaire. Dans ce processus, l'hydrogène se déplace contre un gradient de pression d'une zone de basse pression à une zone de haute pression, ce qui entraîne une augmentation de la pression à travers la membrane. La compression d'autres fluides de travail, tels que l'eau ou l'ammoniac, est également possible. [0004] Les compresseurs à état solide présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux compresseurs mécaniques. En effet, les compresseurs à état solide n'ont pas de pièces mobiles, sont silencieux et ont généralement une conception compacte. En outre, les compresseurs à état solide permettent de comprimer des fluides à des pressions très élevées, jusqu'à 1000 bars et plus, avec des rendements de fonctionnement supérieurs à ceux des compresseurs mécaniques. La compression électrochimique présente un autre avantage : elle permet de purifier le fluide de travail, car la 2 membrane ne permet de transporter que le fluide de travail ionisé. [0005] Les compresseurs électrochimiques de l'état de la technique sont constitués d'un ensemble de cellules ou d'un groupe de tubes avec une alimentation électrique qui alimente toutes les cellules ou tous les tubes en série. Par conséquent, le même courant circule dans toutes les cellules. Cependant, en raison de différences localisées, les cellules ou les tubes peuvent diverger dans le mode de fonctionnement ou le rendement peut nécessiter un réglage individuel. Les exigences, comme un courant maximal, fixé par une seule cellule, dictent le courant à travers toutes les cellules. Des inconvénients similaires se produisent dans la partie fluide du système. Une fuite dans l'un des tubes invalide l'ensemble du système et, en particulier, la capacité de compression peut diminuer en raison de la perte de pression dans une ou quelques cellules. [0006] La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients susmentionnés. [0007] La présente invention propose ainsi un compresseur électrochimique à état solide, comprenant plusieurs ensembles de cellules électrochimiques, dont chaque cellule comprend une entrée de fluide basse pression, une sortie de fluide haute pression, une membrane, agencée entre l'entrée de fluide basse pression et la sortie de fluide haute pression, une paire d'une anode, agencée à l'entrée de fluide basse pression et d'une cathode, agencée du côté de la sortie de fluide haute pression, dans lequel toutes les paires d'anode et de cathode d'un ensemble de cellules sont connectées en série à une alimentation électrique commune, et dans lequel toutes les entrées de fluide basse pression d'un ensemble de cellules sont couplées à une entrée de fluide basse pression commune, et toutes les sorties de fluide haute pression d'un ensemble de cellules sont couplées à une sortie de fluide haute pression commune, dans lequel les sorties de fluide haute pression communes des ensembles de cellules respectifs sont couplées à une sortie de fluide principale. [0008] Une connexion en parallèle de plusieurs cellules connectées en série présente divers avantages par rapport à un montage en série uniquement. Le plus important est que le compresseur devient moins sensible aux défaillances ou aux défauts des cellules individuelles, et que des remèdes peuvent être appliqués lorsqu'une cellule individuelle fonctionne de manière sous-optimale, entraînant une capacité de compression moindre, sans avoir à remplacer tout le compresseur ou à l'arrêter. De plus, chaque cellule peut fonctionner dans des conditions optimales, qui ne doivent pas nécessairement être les mêmes pour toutes les cellules. [0009] De préférence, chacune des entrées basse pression des ensembles de cellules est couplée à une entrée de fluide principale. De là, le fluide, en particulier l'hydrogène, est fourni à chaque cellule séparée. Comme toutes les entrées basse pression peuvent fonctionner à la même pression, aucune autre précaution particulière ne doit être prise. En alternative, les cellules ou les ensembles de cellules peuvent recevoir du fluide 3 provenant de diverses sources. Cela peut être avantageux lorsqu'il n'existe pas de source commune avec un débit suffisant. [0010] Dans un autre mode de réalisation, chacune des sorties haute pression des ensembles de cellules est couplée à une sortie de fluide principale. Les cellules individuelles ne produisent que de petites quantités de fluide haute pression, qui peuvent être collectées par la sortie de l'ensemble de cellules et ensuite par la sortie de fluide principale. [0011] Cependant, des cellules peuvent avoir des propriétés électrochimiques différentes, que cc soit en raison de l'usure, du vieillissement ou des circonstances de fabrication, et le fluide peut être sorti avec une pression différente par différentes cellules. Pour éviter le reflux de fluide haute pression, chacune des sorties de fluide haute pression est couplée à la sortie de fluide principale via un clapet anti-retour qui permet au fluide de s'écouler uniquement dans le sens de la sortie haute pression commune vers la sortie de fluide principale. [0012] Dans un autre mode de réalisation, les alimentations électriques communes des différents ensembles de cellules sont toutes des alimentations séparées. Cela permet de créer des conditions d'alimentation optimales pour chaque ensemble de cellules et d'optimiser indépendamment les conditions de reconditionnement. De cette façon, l'ensemble de cellules, ou un sous-ensemble de l'ensemble, reste le débit le plus élevé possible. [0013] Dans un mode de réalisation préféré, les alimentations électriques sont fournies avec un moniteur, pour surveiller les propriétés électriques des cellules. Un tel moniteur peut comprendre un circuit électronique et/ou un microprocesseur, pour mesurer une tension aux bornes de la cellule, ou un courant à travers la cellule. Ce dernier est le même pour toutes les cellules dans le cas de cellules connectées en série. La tension de la cellule est une indication de la performance de cette cellule. Lorsqu'une tension de cellule individuelle diffère de la tension aux bornes d'autres cellules, cela signifie que sa résistance diffère de celle des autres cellules. Outre une résistance différente, les propriétés capacitives peuvent indiquer l'usure ou la casse d'une cellule. [0014] Dans un autre mode de réalisation, au moins une cellule comprend un capteur de température et/ou de pression, et le moniteur est configuré pour enregistrer une température et une pression de ladite au moins une cellule. Sur la base des mesures et/ou du résultat de la spectroscopie, l'alimentation électrique est configurée pour régler une puissance de cellule optimale pour l'alimentation de l'ensemble de cellules. En outre, l'alimentation peut être configurée pour reconditionner l'empilement de puissance, en particulier pour éliminer l'eau en inversant une direction de courant ou en permettant la redistribution de l'eau à des courants faibles ou nuls. [0015] Différents modes de réalisation et configurations sont possibles, mais de préférence un ensemble de cellules comprend environ 8 cellules, ce qui nécessite une alimentation électrique pouvant fournir des tensions de 0,6 à 5 volts à des courants élevés. Une tension plus élevée n'est pas préférable, car à des courants élevés, une trop grande partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur dans les cellules [0016] Les cellules électrochimiques montées en série sont de préférence agencées dans un boîtier commun. Dans une autre variante, la pluralité d'ensembles de cellules est agencée dans le même boîtier et agit ainsi comme un appareil commun. L'inconvénient de cette configuration est que la pluralité d'ensembles de cellules doit de préférence être isolée électriquement les uns des autres. Davantage est qu'un seul jeu de brides d'extrémité lourdes doit être utilisé pour maintenir la pression et isoler les cellules, cc qui permet de réduire considérablement le poids et de diminuer les coûts. [0017] L'invention sera maintenant expliquée plus en détail en se référant à la figure suivante, dans laquelle un aperçu schématique d'un compresseur électrochimique à état solide de l'invention est donné. [0018] La figure 1 montre un compresseur électrochimique à état solide 1 selon la présente invention, comprenant un certain nombre d'ensembles de cellules électrochimiques multiples 2, 3, dont chaque cellule 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 comprend une entrée de fluide basse pression respective 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23 et une sortie de fluide haute pression 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, une membrane 34 35 36 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, agencée entre l'entrée de fluide basse pression et la sortie de fluide haute pression, et une paire d'une cathode 53, 61, 63 (toutes ne sont pas visibles), agencée à l'entrée de fluide basse pression et d'une anode, 44, 54, 60, 62 (toutes ne sont pas visibles), agencée du côté de la sortie du fluide haute pression, dans lesquels toutes les paires d'anodes 44-62 et de cathodes 45-63 d'un ensemble de cellules 2, 3 sont connectées électriquement en série à une alimentation électrique commune 64, 65 et dans lequel toutes les entrées de fluide basse pression 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23 d'un ensemble de cellules sont couplées à une entrée de fluide basse pression commune 66, 67 et toutes les sorties de fluide haute pression 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 d'un ensemble de cellules sont couplées à une sortie de fluide haute pression commune 68, 69, dans lequel les sorties de fluide haute pression communes des ensembles de cellules respectifs sont couplées à une sortie de fluide principale 70. [0019] Comme visible dans le Détail A, une structure d'anode 60, une sortie haute pression 32, une membrane 42, une entrée de fluide basse pression 22 et une cathode 61 forment une cellule 12. Les anodes et les cathodes des cellules adjacentes (61, 62) peuvent être couplées électriquement, ou même être formées par une seule pièce intégrée. Pour permettre une information électrotechnique détaillée sur les cellules individuelles, les anodes et cathodes des cellules d'un ensemble de cellules ou les anodes et cathodes couplées des cellules d'un ensemble de cellules peuvent être pourvues de contacts électriques externes, à des fins de mesure. Ces contacts peuvent être connectés aux alimentations électriques respectives, en particulier à un moniteur de celles-ci. Dans le mode de réalisation représenté, les sorties de fluide haute pression communes 68, 69 des ensembles de cellules sont couplées à une sortie de fluide principale par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 71, 72 qui permet l'écoulement du fluide dans la direction de la sortie haute pression commune 68, 69 vers la sortie de fluide principale 70 uniquement. Les entrées de fluide basse pression communes 66, 67 peuvent également être couplées à une entrée de fluide principale (non illustrée). [0020] Les alimentations électriques communes 64, 65 de divers ensembles de cellules sont des alimentations séparées. Dans les exemples illustrés, les ensembles sont constitués de 5 cellules, mais de préférence un ensemble de cellules comprend au moins 8 cellules, de sorte que l'alimentation électrique peut être configurée pour un fonctionnement d'au moins 0,6 volt. La portée de l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, qui n'est qu'un exemple, mais est définie par les revendications suivantes. 6