Brevet FR3154242A1 — publié le 20250418

L'invention concerne un procédé de production d’électricité (6) mettant en œuvre une pile à combustible (1), dans lequel on produit le combustible (3) au moyen d’un procédé de dissociation thermique appliqué à au moins l’un des produits (7) de la pile (1), en utilisant de la chaleur (17, 19, 21) produite par au moins une pompe à chaleur (13) alimentée électriquement (14) par la pile (1). (Fig. 1) Procédé de production d’électricité mettant en œuvre une pile à combustible La présente invention concerne un procédé de production d’électricité mettant en œuvre une pile à combustible non galvanique, et une installation de mise en œuvre de ce procédé. Comme cela est connu en soi, une pile à combustible non galvanique – désignée simplement par pile à combustible dans ce qui suit – permet de produire de l’électricité par l’oxydation du combustible qui lui est fourni. Dans le cas particulier d’une pile à combustible à hydrogène par exemple, la pile comprend une anode et une cathode séparées par un électrolyte ; l’hydrogène arrive à l’anode, l’oxygène à la cathode, et la réaction d’oxydation de l’hydrogène par l’oxygène engendre du courant électrique, de l’eau et de la chaleur. WO2023001779 enseigne comment, de manière avantageuse, on peut produire une partie du combustible d’une pile à combustible au moyen d’un procédé de dissociation thermique utilisant la chaleur produite par la pile. La présente invention vise à fournir un procédé de ce type permettant de produire la totalité du combustible de la pile à combustible. On atteint ce but de l’invention avec un procédé de production d’électricité mettant en œuvre une pile à combustible, dans lequel on produit le combustible au moyen d’un procédé de dissociation thermique appliqué à au moins l’un des produits de la pile, en utilisant de la chaleur produite par au moins une pompe à chaleur alimentée électriquement par la pile. L’utilisation cumulée de la chaleur produite par la pompe à chaleur peut permettre d’engendrer une quantité suffisante de combustible, et ainsi de rendre le procédé autonome en consommation de combustible. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l’invention, prises seules ou en combinaison : - on utilise en outre la chaleur produite par la pile à combustible pour mettre en œuvre ledit procédé de dissociation thermique : l’utilisation de cette chaleur supplémentaire permet d’accroître la quantité de combustible produite ; - on utilise en outre la chaleur produite par l’un ou plusieurs éléments du dispositif pour fournir une chaleur dite de cogénération aux utilisateurs du procédé ; - ledit procédé de dissociation comprend une succession de réactions chimiques endothermiques ; - ledit procédé de dissociation comprend au moins une étape d’électrolyse et on utilise une partie de l’électricité de ladite pile pour alimenter cette réaction d’électrolyse ; - on récupère une partie de la chaleur produite par ladite pompe à chaleur et/ou par ladite pile pour produire directement de l’électricité tout en abaissant la température de la chaleur à un niveau requis par l’une des réactions chimiques ; - on utilise de l’hydrogène comme combustible, et on applique à l’eau produite par la pile à combustible la série suivante de réactions du cycle iode/soufre pour dissocier l’eau : 2 H 2 SO 4 → 2 SO 2 + 2 H 2 O + O 2 HI → I 2 + H 2 I 2 + SO 2 + 2 H 2 O → 2 HI +H 2 SO 4 - on réalise la réaction HI → I 2 + H 2 avec une pile à membrane échangeuse de protons fonctionnant entre 50°C et 100°C, par exemple 80°C. La présente invention se rapporte également à une installation de mise en œuvre du procédé susmentionné, comprenant une pile à combustible, au moins une pompe à chaleur, et au moins une unité de production dudit combustible connectée thermiquement à ladite pompe à chaleur, apte à recevoir ledit produit de la pile et à le dissocier pour produire ledit combustible. De préférence, ladite unité de production de combustible est en outre connectée thermiquement à ladite pile à combustible. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : FIG. 1 : une installation de production d’électricité mettant en œuvre un premier mode de réalisation du procédé selon l’invention ; FIG. 2 : une installation de production d’électricité mettant en œuvre un deuxième mode de réalisation du procédé selon l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques ou similaires sur l’ensemble des figures. Dans ce qui suit, on va illustrer l’invention avec une pile dans laquelle le combustible est de l’hydrogène, mais il doit être bien compris que les préceptes de l’invention peuvent s’appliquer à d’autres types de piles à combustibles. En se reportant au premier mode de réalisation illustré à la FIG. 1 , on a représenté une pile à hydrogène, dans laquelle le combustible est de l’hydrogène 3, oxydé par de l’oxygène 5 au sein d’un système électrolytique, comme cela a été mentionné dans le préambule de la présente description. Cette réaction d’oxydation permet la circulation d’électrons entre l’anode et la cathode du système électrolytique, et ainsi la production d’électricité 6. Cette réaction d’oxydation a également pour effet de produire de l’eau 7 et de dégager une quantité importante de chaleur 9, atteignant typiquement une température de l’ordre de 830°C. Comme cela est enseigné par WO2023001779, on peut récupérer la chaleur 9 dégagée par la pile hydrogène pour produire de l’hydrogène dans une série de réacteurs 11 en utilisant une cascade de réactions chimiques endothermiques, telles que les réactions du cycle iode/soufre mentionné ci-dessus, ou bien des réactions du cycle brome/soufre, ou bien des réactions du cycle chlore/soufre, ou bien des réactions utilisant un hydrure de métal alcalin, ou bien des réactions utilisant du chlorure de fer III et du chlorure de fer II, ou bien encore du chlorure de vanadium et du tétrachlorure de vanadium. Dans le cadre de la présente invention, on prévoit au moins une pompe à chaleur 13, alimentée par une partie de l’électricité 14 produite par la pile à hydrogène 1. On utilise cette pompe à chaleur 13 pour élever la température d’une source froide 15 (typiquement de l’ordre de 20°C mais aussi pouvant être plus chaude, par exemple 80°C) telle que par exemple de l’air ambiant, de l’eau d’une rivière, de la mer ou en provenance d’une installation géothermique, aux différentes températures 17, 19, 21 dont on a besoin pour mettre en œuvre les réactions endothermiques de production d’hydrogène dans les réacteurs. Le terme « pompe à chaleur » utilisé dans le cadre de la présente invention peut désigner une pluralité de pompes à chaleur et/ou une pompe à chaleur comprenant une pluralité de cycles en cascade dont les gaz compressibles travaillent à des températures inférieures à leurs températures critiques et supérieures à leurs températures d’ébullition. On peut par exemple utiliser comme gaz des pompes à chaleur du mercure à l’état gazeux, de la vapeur d’eau et du dichlore. Par exemple, lorsqu’on utilise le cycle iode/soufre pour produire l’hydrogène, on peut faire circuler entre la pompe à chaleur 13 et les différents réacteurs 11, des fluides caloporteurs aux températures respectives de 830°C, 650°C et 120°C, permettant de mettre en œuvre respectivement les trois réactions endothermiques suivantes de dissociation de l’eau 7 fournie par la pile à combustible 1 : 2 H 2 SO 4 → 2 SO 2 + 2 H 2 O + O 2 HI → I 2 + H 2 I 2 + SO 2 + 2 H 2 O → 2 HI +H 2 SO 4 En récupérant la chaleur 17, 19, 21 engendrée par la pompe à chaleur 13, on fournit suffisamment d’énergie pour engendrer la quantité d’hydrogène 3 nécessaire au fonctionnement autonome de la pile hydrogène 1, c’est-à-dire à un fonctionnement ne nécessitant pas l’apport extérieur de combustible. En récupérant aussi la chaleur 9 engendrée par la pile à hydrogène 1, pour engendrer de l’hydrogène 3, on peut diminuer la part d’électricité prélevée sur la production de la pile à combustible pour la production thermochimique de l’hydrogène. Dans certains cas il peut être nécessaire d’utiliser la chaleur 9 dégagée par la pile 1 pour que la quantité d’hydrogène produite par les réactions thermochimiques suffise au fonctionnement de la pile. Dans le deuxième mode de réalisation illustré à la FIG. 2 , les réactions de dissociation de l’eau comprennent d’une part des réactions chimiques endothermiques, et d’autre part au moins une réaction d’électrolyse. Plus particulièrement, on peut utiliser un cycle en cinq étapes utilisant du cuivre et du chlore, tel que décrit dans l’article "Energy analysais of heat exchangers in the copper–chlorine thermochemical cycle to enhance thermal effectiveness and cycle efficiency" , paru dans l' "International Journal of Low-Carbon Technologies, Volume 6, Issue 3, September 2011" . Les cinq étapes E1 à E5 de ce cycle sont les suivantes : Etapes Source d'énergie Température de réaction Réactions E1 chaleur 400°C 2CuCl 2 (s) + H 2 O(g) → CuO·CuCl 2 (s) + 2HCl(g) E2 chaleur 500°C CuO·CuCl 2 (s) → 2CuCl(l) + 1/2O 2 (g) E3 électricité 25–80°C 4CuCl(s) + H 2 O → 2CuCl 2 (aq) + 2Cu(s) E4 chaleur >100°C CuCl 2 (aq) → CuCl 2 (s) E5 chaleur 430–475°C 2Cu(s) + 2HCl(g) → 2CuCl(l) + H 2 (g) La réaction de l’étape E3 est de nature électrolytique, et nécessite donc un apport d’électricité. Avantageusement, cet apport est prélevé 23 sur l’électricité produite par la pile à hydrogène 1. S’agissant des réactions chimiques endothermiques des étapes E1, E2, E4 et E5, les températures réactionnelles 19, 24, 17, 21 nécessaires respectivement de 400°C, 500°C, 120°C et 430°C, sont procurées par des fluides caloporteurs circulant entre la pompe à chaleur 13 et les réacteurs 11 de production d’hydrogène 3 dans lesquels se déroulent ces différentes réactions. Avantageusement, on peut utiliser un moteur thermique (non représenté) pour abaisser la température dégagée par la pile à hydrogène de 830°C à 500°C afin de mettre en œuvre notamment l’étape E2 susmentionnée, ce moteur thermique permettant de fournir une source additionnelle de production d’électricité. Selon une variante de ce deuxième mode de réalisation, on peut utiliser le cycle iode/soufre susmentionné pour produire l’hydrogène, mais réaliser l’étape HI → I 2 + H 2 en utilisant une pile à membrane échangeuse de protons fonctionnant entre 50°C et 100°C, par exemple à 80°C. Une telle pile à membrane peut fonctionner en prélevant une partie de l’électricité produite par la pile à hydrogène 1. Une telle pile à membrane comporte un catalyseur à ses électrodes, tel que du platine ou de l’oxyde de cérium et de gadolinium (CGO) Ce 0.9 Gd 0.1 O 1,95 développé notamment par la société Cres Power Ltd. Comme on l’aura compris à la lumière de ce qui précède, le procédé et l’installation de production d’électricité selon l’invention, permettent de faire fonctionner de manière autonome une pile à combustible, c’est-à-dire sans apport extérieur de combustible. Cette autonomie est obtenue en cumulant les quantités de chaleur produites par la pile à combustible elle-même, et par au moins une pompe à chaleur additionnelle : ces quantités de chaleur, permettant de mettre en œuvre des cycles de réactions chimiques endothermiques, éventuellement associées à un apport d’électricité permettant de mettre en œuvre des réactions électrolytiques, fournissent suffisamment d’énergie pour produire le combustible de la pile à combustible sans apport extérieur. Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention. C’est ainsi notamment que l’invention couvre un procédé et une installation dans lesquels la chaleur permettant de mettre en œuvre les réactions dans l’unité de production du combustible 11, pourrait ne provenir que de la pompe à chaleur 13 – et donc ne pas provenir de la pile à combustible 1. Procédé de production d’électricité (6) mettant en œuvre une pile à combustible (1), dans lequel on produit le combustible (3) au moyen d’un procédé de dissociation thermique appliqué à au moins l’un des produits (7) de la pile (1), en utilisant de la chaleur (17, 19, 21 ; 24) produite par au moins une pompe à chaleur (13) alimentée électriquement (14) par la pile (1). Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise en outre la chaleur (9) produite par la pile à combustible (1) pour mettre en œuvre ledit procédé de dissociation thermique. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit procédé de dissociation comprend une succession de réactions chimiques endothermiques. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit procédé de dissociation comprend au moins une étape d’électrolyse, et on utilise une partie (23) de l’électricité de ladite pile (1) pour alimenter cette réaction d’électrolyse. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on récupère une partie de la chaleur produite par ladite pompe à chaleur et/ou par ladite pile pour produire directement de l’électricité. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise de l’hydrogène (3) comme combustible, et on applique à l’eau (7) produite par la pile à combustible (1) la série suivante de réactions du cycle iode/soufre pour dissocier l’eau : 2 H 2 SO 4 → 2 SO 2 + 2 H 2 O + O 2 HI → I 2 + H 2 I 2 + SO 2 + 2 H 2 O → 2 HI +H 2 SO 4 Procédé selon la revendication 6, dans lequel on réalise la réaction HI → I 2 + H 2 avec une pile à membrane échangeuse de protons fonctionnant entre 50°C et 100°C, par exemple à 80°C. Installation de mise en œuvre d’un procédé conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pile à combustible (1), au moins une pompe à chaleur (13), et au moins une unité (11) de production dudit combustible (3) connectée thermiquement à ladite pompe à chaleur (13), apte à recevoir ledit produit (7) de la pile (1) et à le dissocier pour produire ledit combustible (3). Installation selon la revendication 8 pour la mise en œuvre d’un procédé conforme à la revendication 2, dans laquelle ladite unité (11) de production de combustible (3) est en outre connectée thermiquement à ladite pile à combustible (1).