INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Pour diminuer les coûts, liés notamment à la fabrication et au fonctionnement des empilements, on cherche d'une manière générale à maximiser le nombre de cellules par empilement. En appliquant un courant continu entre l'anode et la cathode de chaque cellule, au moyen d'un générateur dont la tension de sortie peut être réglable, on provoque la réaction d'électrolyse de l'eau. Du dihydrogène H 2 et du dioxygène O 2 sont ainsi produits.
Il a été proposé des joints qui permettent d'empiler un grand nombre de cellules, par exemple jusqu'à 300 cellules. Les cellules sont capables de supporter des forces de serrage importantes et des pressions internes d'environ 45 bars. De tels joints sont par exemple décrits dans WO 2015/004378.
Lorsque de tels joints sont utilisés sous des pressions encore plus élevées et/ou avec des différences de pression importantes entre deux compartiments d'une même cellule, des déformations peuvent apparaître. En outre, les joints montés par paire pour chaque cellule, nécessitent un assemblage minutieux de la cellule sous peine de dysfonctionner.
Dans un empilement de cellules d’électrolyse, l’eau circule dans des conduites réalisées par un empilement de nombreuses pièces. Le nombre d’interfaces entre des pièces de différents matériaux est important, ce qui augmente le risque de fuite.
Des cellules d’électrolyseur sont décrites dans FR3062856. Les cellules décrites dans FR3062856 comprennent des plaques conductrices séparées par une entretoise. Ces cellules sont assemblées ensemble pour former un empilement d’électrolyse. Des ouvertures sont ménagées dans les différentes pièces de la cellule, formant ainsi des conduites d’alimentation et d’évacuation d’eau.
La Demanderesse a cherché à réduire le risque de fuite, faciliter la production et réduire les coûts de fabrication d’un empilement de cellules d’électrolyse.
L’invention propose une cellule d’électrolyse d’eau à membrane électrolytique polymère PEM pour la production d’hydrogène, comprenant une membrane d’échange protonique, un compartiment d’anode en contact avec la membrane d’échange protonique, un compartiment de cathode en contact avec la membrane d’échange protonique, une première plaque conductrice en contact avec le compartiment d’anode, formant une première extrémité de la cellule dans le sens de l’épaisseur, une deuxième plaque conductrice en contact avec le compartiment de cathode, formant une deuxième extrémité de la cellule dans le sens de l’épaisseur, et un bâti en matériau isolant pour isoler électriquement la première et la deuxième plaques conductrices. Le bâti supporte la membrane d’échange protonique. Le compartiment d’anode est délimité selon deux plans parallèles par la membrane d’échange protonique et la première plaque. Le compartiment d’anode est délimité par le bâti. Le compartiment de cathode étant délimité selon deux plans parallèles par la membrane d’échange protonique et la deuxième plaque. Le compartiment de cathode étant délimité par le bâti. Le bâti est muni d’au moins deux ouvertures communiquant avec le compartiment d’anode par au moins un canal d’alimentation et au moins un canal d’évacuation et au moins deux ouvertures communiquant avec le compartiment de cathode par au moins un canal d’alimentation et au moins un canal d’évacuation. Lesdits canaux d’alimentation et d’évacuation sont disposés dans le bâti. Chaque canal est sécant avec une des ouvertures. La première et la deuxième plaques conductrices sont munies d’ouvertures traversantes, chacune en communication avec au moins une des ouvertures du bâti. Les ouvertures du bâti comprennent chacune un bord. Les ouvertures des première et deuxième plaque conductrices comprennent chacune un bord. La cellule comprend au moins un joint s’étendant au-delà de la première extrémité et jusqu’au bâti et au moins un joint s’étendant au-delà de la deuxième extrémité et jusqu’au bâti pour protéger le bord de chaque ouverture. Les plaques conductrices des conduites d’alimentation et des conduites d’évacuation sont isolées. Ceci diminue le risque de fuite. Les tolérances de mise en position des plaques conductrices peuvent être élargies. Le choix des matériaux utilisables pour réaliser les plaques conductrices est élargi.
Dans un mode de réalisation, les ouvertures des première et deuxième plaques conductrices présentent une forme rectangulaire. La découpe rectangulaire dans les plaques conductrices permet de réduire la quantité de métal utilisée et facilite la production.
Dans un mode de réalisation les plaques conductrices présentent une forme polygonale et sont pourvues de deux ouvertures opposées, chaque ouverture étant en communication avec au moins deux ouvertures du bâti. Les pertes de charge sont réduites. Une meilleure répartition de l’eau dans le compartiment d’anode/de cathode est obtenue.
Dans un mode de réalisation, le bâti comprend une surépaisseur entre le bord d’au moins une ouverture du bâti et le bord d’au moins une ouverture des première ou deuxième plaque conductrices, ladite surépaisseur étant en saillie vers la première ou la deuxième extrémité dans les ouvertures des première ou deuxième plaque conductrices. Un joint profilé peut être utilisé pour étanchéifier le compartiment d’anode. Un joint profilé peut être utilisé pour étanchéifier le compartiment de cathode. La fabrication d’un tel joint est aisée.
Procédé de production De préférence, ledit procédé est un procédé en émulsion mis en œuvre en phase aqueuse.
L’étape a) du présent procédé est de préférence mise en œuvre à une température supérieure à 40°C, de préférence à une température comprise entre 40°C et 120°C, plus préférentiellement à une température comprise entre 40°C et 110°C, en particulier à une température comprise entre 40°C et 100°C.
L’étape a) du présent procédé est de préférence mise en œuvre à une pression de 10 à 120 bara, avantageusement à une pression de 15 bara à 110 bara, de préférence à une pression de 20 bara à 100 bara.
Un antisalissure à la paraffine est éventuellement utilisé dans la polymérisation. Toute cire ou huile d’hydrocarbures saturée à longue chaîne peut être utilisée. L’huile ou la cire est ajoutée au réacteur avant la formation du fluoropolymère, en quantité suffisante pour minimiser l’adhésion de polymères aux composants du réacteur. Cette quantité est généralement proportionnelle à la surface intérieure du réacteur et peut varier d’environ 1 à environ 40 mg/cm2 de surface intérieure du réacteur. Si une cire de paraffine ou de l’huile d’hydrocarbures est utilisée comme antisalissure, la quantité utilisée est généralement d’environ 5 mg/cm2 de la surface intérieure du réacteur.
Le mélange réactionnel de polymérisation peut éventuellement contenir un agent tampon pour maintenir un pH contrôlé pendant la réaction de polymérisation. Le pH est généralement contrôlé dans la plage de 3 à 8. L’agent tampon peut être ajouté au début, à différents points ou tout au long de la polymérisation. Les agents tampons à titre d’exemple appropriés sont les tampons phosphate et les tampons acétate, qui sont bien connus de l’homme du métier.
Des régulateurs de masse moléculaire, également appelés agents de transfert de chaîne, peuvent éventuellement être utilisés pour ajuster le profil de masse moléculaire du produit. Ils peuvent être ajoutés en une seule portion au début de la réaction, progressivement ou continuellement tout au long de la réaction. La quantité de régulateur de poids moléculaire ajoutée à la réaction de polymérisation est généralement d’environ 0,05 à environ 5 % en poids, plus généralement d’environ 0,1 à environ 2 % en poids sur la base du poids total du monomère ajouté au mélange réactionnel. Les composés oxygénés tels que les alcools, les carbonates, les cétones, les esters et les éthers peuvent servir de régulateurs de poids moléculaire. Des exemples de composés oxygénés appropriés comprennent l’alcool isopropylique, l’acétone, l’acétate d’éthyle et le carbonate de diéthyle. D’autres classes de régulateurs de poids moléculaire comprennent les composés halogénés tels que les chlorocarbures, les hydrochlorocarbures, les hydrofluorocarbures, les chlorofluorocarbures et les hydrochlorofluorocarbures. Des exemples particuliers de régulateurs de poids moléculaire halogénés comprennent le 1-fluoroéthane, le trichlorofluorométhane et le 1,1-dichloro-2,2,2-trifluoroéthane. Certains hydrocarbures peuvent être utilisés comme régulateurs de poids moléculaire, tels que les hydrocarbures qui contiennent de deux à cinq atomes de carbone, avec l’éthane et le propane comme exemples particuliers.
Outre le surfactant S1 , on peut ajouter un ou plusieurs autres surfactants S2 . Par exemple, ledit surfactant S2 comprend un segment polyéthylène glycol et un segment polypropylène glycol. De préférence, ledit surfactant S2 présente une valeur HLB de 1 à 20, en particulier une valeur HLB de 1 à 5 ou de 10 à 15. En particulier, ledit surfactant S2 comprenant un segment polyéthylène glycol et un segment polypropylène glycol, présente une valeur HLB de 1 à 5 et une masse moléculaire moyenne en poids de 2500 à 10000 g.mol-1. Alternativement, ledit surfactant S2 comprenant un segment de polyéthylène glycol et un segment de polypropylène glycol, a une valeur HLB de 10 à 15 et un poids moléculaire moyen en poids de 500 à 2500 g.mol-1.
De préférence, ledit surfactant S1 est ajouté en continu au cours de l’étape a). Le terme continu englobe l’ajout dudit surfactant S1 par de multiples additions tout au long du procédé de production. Alternativement, ledit surfactant S1 est ajouté en discontinu. Le terme discontinu englobe l’ajout dudit surfactant S1 est une seul fois au début du procédé ou au cours de celui-ci en une seule addition. L’ajout dudit surfactant S1 peut être préalable, simultanée ou subséquente à celle de l’initiateur. Il est préférable d’ajouter au moins une partie dudit monomère M1 dans la charge initiale du réacteur, c’est-à-dire avant l’initiation de la réaction de polymérisation.
Polymère fluoré P1 Ledit polymère fluoré P1 obtenu selon le présent procédé comprend des unités monomériques issues du monomère M1 . Ledit polymère fluoré P1 peut être un homopolymère issu du monomère M1 ou un copolymère issu du monomère M1 et du monomère M3 .
Comme mentionné ci-dessus, ledit monomère M1 est de préférence le fluorure de vinylidène. Ainsi, ledit polymère fluoré P1 peut être, de préférence, un homopolymère du fluorure de vinylidène.
Selon un autre mode de réalisation, le polymère P 1 est un copolymère du fluorure de vinylidène avec au moins un comonomère compatible avec le fluorure de vinylidène, tel que l’un quelconque des monomères M3 , différent du fluorure de vinylidène.
De manière générale, le polymère P 1 contient de préférence au moins 50 % en moles fluorure de vinylidène, avantageusement au moins 60% en moles de fluorure de vinylidène, de préférence au moins 70% en moles de fluorure de vinylidène. Le comonomère M3 peut être présent dans une teneur de 1 à 50%, avantageusement de 2 à 30% en poids par rapport au poids dudit polymère P 1 .
Selon un mode de réalisation préféré, le polymère P 1 est un copolymère de fluorure de vinylidène (VDF) et d’hexafluoropropylène (HFP)) (P(VDF-HFP)), ayant une teneur massique d'unités monomères d'hexafluoropropylène de 2 à 30%, avantageusement de 2 à 25%, de préférence de 2 à 20 %, de préférence de 4 à 15 % en poids par rapport au poids dudit polymère P 1 . Selon un autre mode de réalisation, le polymère P 1 est un copolymère de fluorure de vinylidène (VDF) et d’hexafluoropropylène (HFP) (P(VDF-HFP)), ayant une teneur massique d'unités monomères d'hexafluoropropylène de 10 à 30%, avantageusement de 10 à 25% en poids par rapport au poids dudit polymère P 1 .
Selon un mode de réalisation, le polymère P 1 est un copolymère de fluorure de vinylidène et de tétrafluoroéthylène (TFE).
Selon un mode de réalisation, le polymère P 1 est un copolymère de fluorure de vinylidène et de chlorotrifluoroéthylène (CTFE).
Selon un mode de réalisation, le polymère P 1 est un terpolymère de VDF-TFE-HFP. Selon un mode de réalisation, le polymère P 1 est un terpolymère VDF-TrFE-TFE (TrFE étant le trifluoroéthylène). Dans ces terpolymères, la teneur massique en VDF est d’au moins 10%, les comonomères étant présents en proportions variables.
La valeur prédéterminée est par exemple une valeur de température à laquelle le dihydrogène se vaporise, autrement dit passe de l’état liquide à l’état gazeux, et est égale à −252,87°C ou 20,28 K. Ainsi, lorsque le dihydrogène circulant dans la conduite de distribution 11 en amont de la pompe 13 est gazeux, la première vanne contrôlée 15 est ouverte et le dihydrogène gazeux est récupéré dans la conduite de dérivation 14. En revanche, lorsque le dihydrogène circulant dans la conduite de distribution 11 en amont de la pompe 13 est gazeux, la première vanne contrôlée 15 est fermée et le dihydrogène liquide reste dans la conduite de distribution 11.
Lorsque la première vanne contrôlée 15 est ouverte, le dihydrogène récupéré dans la conduite de dérivation 14 circule depuis la conduite de distribution 11 vers le réservoir auxiliaire 16.
Selon un exemple de réalisation, le système de récupération 1 comprend en outre une deuxième vanne contrôlée 151 agencée sur la conduite de distribution en aval de la conduite de dérivation. Le système de récupération 1 comprend en outre un deuxième module de contrôle (non représenté) de ladite deuxième vanne contrôlée 151 configuré pour fermer la deuxième vanne contrôlée 151 lorsque la première vanne contrôlée 15 est ouverte. Ainsi, la récupération du dihydrogène gazeux circulant dans la conduite de distribution 11 est maximisée puisque la circulation du dihydrogène gazeux jusqu’au dispositif consommateur de dihydrogène 19 est empêchée. Le deuxième module de contrôle de ladite deuxième vanne contrôlée 151 est en outre configuré pour ouvrir la deuxième vanne contrôlée 151 lorsque la première vanne contrôlée 15 est ouverte, de sorte à permettre au dihydrogène circulant dans la conduite de distribution 11 de circuler jusqu’au dispositif consommateur de dihydrogène 19.
Le système de récupération 1 comprend en outre au moins une conduite auxiliaire 17a, 17b, 17c agencée entre le réservoir auxiliaire 16 et un dispositif de stockage ou de consommation de dihydrogène 10, 19, 101. Par exemple, le dispositif de stockage ou de consommation de dihydrogène est le réservoir principal 10, ou le dispositif consommateur de dihydrogène 19 ou un dispositif tiers 101.
Selon l’exemple illustré en , le système de récupération 1 comprend une première conduite auxiliaire 17a agencée entre le réservoir auxiliaire 16 et le réservoir principal 10, une deuxième conduite auxiliaire 17b agencée entre le réservoir auxiliaire 16 et le dispositif consommateur de dihydrogène 19 et une troisième conduite auxiliaire 17c agencée entre le réservoir auxiliaire 16 et le dispositif tiers 101. Le dispositif tiers est par exemple un mélangeur de dihydrogène destiné à réchauffer un flux externe de dihydrogène destiné à opérer un échange thermique avec un fluide caloporteur de sorte que le fluide caloporteur ne gèle pas lors dudit échange thermique.
Selon un mode de réalisation, le système de récupération 1 comprend une troisième vanne contrôlée 18a, 18b, 18c agencée sur chaque conduite auxiliaire 17a, 17b, 17c. Chaque troisième vanne contrôlée 18a, 18b, 18c est contrôlée par un troisième module de contrôle associé au dispositif de stockage ou de consommation de dihydrogène 10, 19, 101 relié par la conduite auxiliaire 17a, 17b, 17c en question.
Le troisième module de contrôle est configuré pour ouvrir la troisième vanne contrôlée 18a, 18b, 18c lorsqu’une utilisation de dihydrogène est requise par le dispositif de stockage ou de consommation de dihydrogène 10, 19, 101 en question. Le troisième module de contrôle est configuré pour fermer ladite la troisième vanne contrôlée 18a, 18b, 18c lorsque l’utilisation de dihydrogène n’est pas requise par le dispositif de stockage ou de consommation de dihydrogène 10, 19, 101 en question.
Par exemple, le troisième module de contrôle associé à la troisième vanne contrôlée 18a agencée sur la première conduite auxiliaire 17a ouvre ladite troisième vanne contrôlée 18a lorsqu’une re pressurisation du réservoir principal 10 est requise, et ferme ladite troisième vanne contrôlée 18a lorsque la re pressurisation du réservoir principal 10 n’est pas requise.
Selon un autre exemple, le troisième module de contrôle associé à la troisième vanne contrôlée 18b agencée sur la deuxième conduite auxiliaire 17b ouvre ladite troisième vanne contrôlée lorsqu’un démarrage du dispositif consommateur de dihydrogène 19 est requis. Ledit troisième module de contrôle ferme ladite troisième vanne contrôlée 18b lorsque le démarrage du dispositif consommateur de dihydrogène 19 n’est pas requis, autrement dit avant le démarrage du dispositif consommateur de dihydrogène 19 ou lorsque le démarrage est terminé.
Selon un mode de réalisation, le réservoir auxiliaire 16 comprend un dispositif de chauffage 161 électrique. Le dispositif de chauffage 161 est configuré pour augmenter la température du dihydrogène gazeux stocké dans ledit réservoir auxiliaire 16 lorsqu’une température du dihydrogène gazeux stocké dans le réservoir auxiliaire 16 est inférieure à une température prédéfinie. Selon un exemple, le système de récupération 1 comprend la deuxième conduite auxiliaire 17b, le dispositif consommateur de dihydrogène 19 est un moteur à hydrogène et la température prédéfinie est une température minimale de dihydrogène gazeux nécessaire pour démarrer un moteur à hydrogène. Ainsi, il est possible d’obtenir et utiliser du dihydrogène gazeux à une température prédéfinie pour démarrer le moteur à hydrogène.
Selon un mode de réalisation, le réservoir auxiliaire 16 présente un volume de stockage de dihydrogène gazeux prévu, conçu et adapté pour maintenir la pression de dihydrogène gazeux à l’intérieur dudit réservoir auxiliaire 16 à une valeur supérieure ou égale à une pression prédéfinie, par exemple à 3 bar. Le volume du réservoir auxiliaire 16 est conçu en tenant compte d’une quantité de dihydrogène gazeux pouvant être récupéré dans ledit réservoir auxiliaire 16 lors de la phase préalable de refroidissement de la conduite de distribution 11.
Selon un mode de réalisation, le système de récupération 1 comprend en outre une conduite d’évacuation 162 reliant le réservoir auxiliaire 16 à une extrémité 1621 de la conduite d’évacuation 162 débouchant à l’air libre, par exemple à l’extérieur E d’un aéronef 4. Le système de récupération 1 comporte en outre une vanne d’arrêt 163 agencée sur la conduite d’évacuation 162 et comporte des moyens d’ouverture de la vanne d’arrêt 163 lorsque la pression de dihydrogène gazeux dans le réservoir auxiliaire 16 dépasse une valeur seuil prédéfinie de pression et de fermeture de la vanne d’arrêt 163 lorsque la pression de dihydrogène gazeux dans le réservoir auxiliaire 16 est inférieure ou égale à ladite valeur seuil prédéfinie de pression. Ainsi, l’accumulation de dihydrogène gazeux au-delà d’une pression prédéfinie est empêchée. Selon un exemple, la vanne d’arrêt 163 s’ouvre sous une action mécanique résultant d’une pression exercée par un gaz provenant du réservoir auxiliaire 16 lorsque ladite pression dépasse la valeur seuil prédéfinie de pression et se ferme sinon. Selon un autre exemple, les moyens d’ouverture et de fermeture de la vanne d’arrêt comprennent un capteur de pression permettant d’obtenir une information représentative de la pression à l’intérieur du réservoir auxiliaire 16 et comprennent un module de contrôle de la vanne d’arrêt 163. Le module de contrôle de la vanne d’arrêt 163 est configuré pour ouvrir la vanne d’arrêt 163 lorsque l’information représentative de la pression de dihydrogène dans le réservoir auxiliaire 16 dépasse la valeur seuil prédéfinie de pression et pour fermer la vanne d’arrêt 163 sinon. Le module de contrôle de la vanne d’arrêt 163 comprend un processeur capable d’exécuter des instructions chargées dans une mémoire, causant l’implémentation des étapes d’ouverture et de fermeture de la vanne d’arrêt 163. Le module de contrôle peut comprendre un processeur de type DSP (« Digital Signal Processor » en anglais) ou un microcontrôleur, ou une machine ou un composant électronique (« chip » en anglais) dédié ou un ensemble de composants électroniques (« chipset » en anglais) dédié, par exemple un composant FPGA (« Field Programmable Gate Array » en anglais) ou ASIC (« Application Specific Integrated Circuit » en anglais). D’une manière générale, le module de contrôle de la vanne d’arrêt 163, tout comme chaque module de contrôle d’une vanne décrit ici, comporte de la circuiterie électronique adaptée et configurée pour implémenter les fonctionnements, procédés et étapes décrits ici en relation avec ledit module de contrôle.
La illustre schématiquement la deuxième conduite auxiliaire 17b du système de récupération 1 agencée entre le réservoir auxiliaire 16 et le dispositif consommateur de dihydrogène 19, selon un mode de réalisation particulier.
Selon ledit mode de réalisation particulier, ladite deuxième conduite auxiliaire 17b comprend un régulateur de pression 21 de dihydrogène gazeux. Le régulateur de pression 21 est par exemple un limitateur de pression tel qu’un orifice agencé dans la deuxième conduite auxiliaire 17b.
Ainsi, une variation de pression du dihydrogène gazeux dans le réservoir auxiliaire 16 et dans la deuxième conduite auxiliaire 17b résultant d’une variation de volume de dihydrogène gazeux accumulé dans le réservoir auxiliaire 16 a un effet limité lors d’une injection de dihydrogène gazeux, via ladite deuxième conduite auxiliaire 17a, dans le dispositif consommateur de dihydrogène 19.
La illustre schématiquement la première conduite auxiliaire 17a du système de récupération 1 agencée entre le réservoir auxiliaire 16 et le réservoir principal 10, selon un mode de réalisation particulier.
Selon un premier mode de réalisation de la matrice élastomère, l’élastomère isoprénique est choisi dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel, les polyisoprènes de synthèse, les copolymères d’isoprènes, et les mélanges de ces élastomères, de préférence dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel, les polyisoprènes de synthèse et les mélanges de ces élastomères.
Selon une variante préférée du premier mode de réalisation de la matrice élastomère, l’élastomère isoprénique est choisi dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel, les polyisoprènes cis-1,4 de synthèse, de préférence dans ceux ayant un taux molaire de liaisons cis-1,4 supérieur à 90%, de préférence supérieur à 98%.
Selon un deuxième mode de réalisation de la matrice élastomère, la composition de caoutchouc comprend un élastomère butadiénique.
Par « élastomère butadiénique », on entend de manière connue un homopolymère ou un copolymère du butadiène. En d’autres termes un élastomère butadiénique peut être choisi dans le groupe constitué par les polybutadiènes (BR), les différents copolymères du butadiène et les mélanges de ces élastomères. Parmi les copolymères du butadiène, on citera en particulier les copolymères de butadiène-styrène (SBR), ou d’éthylène-butadiène (EBR). Préférentiellement, l’élastomère butadiénique peut être un polybutadiène cis-1,4 ; notamment un polybutadiène ayant un taux (% molaire) de liaisons cis-1,4 supérieur à 90%, plus préférentiellement encore supérieur à 96%.
Avantageusement le taux d’élastomère butadiénique est au moins égal à 23,00% en poids et au plus égal à 31,00% en poids, de préférence au moins égal à 24,00% en poids et au plus égal à 30,00% en poids, plus préférentiellement au moins égal à 25,00% en poids et au plus égal à 29,00% en poids, par rapport au poids total de la composition de caoutchouc.
Selon une variante préférée du deuxième mode de réalisation de la matrice élastomère, l’élastomère butadiénique est choisi dans le groupe constitué par les polybutadiènes, les copolymères de butadiène, et les combinaisons de ces élastomères, plus préférentiellement est un polybutadiène, de préférence un polybutadiène ayant un taux molaire de liaisons cis-1,4 supérieur à 90%, de préférence supérieur à 96%.