BE1031541B1 - ELECTROLYSIS UNIT WITH INCREASED PRODUCTIVITY AND AVAILABILITY - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un électrolyseur (10) comprenant : - un stack (12) baignant dans une solution électrolytique - un cheminement de premier flux (Fa) de solution électrolytique, comprenant un premier séparateur gaz-liquide (16a) adapté pour isoler un premier produit d’électrolyse du premier flux (Fa), une première canalisation (14a) reliant la solution à une entrée du premier séparateur, et un premier conduit (18a) qui relie une sortie du premier séparateur à la solution électrolytique; - un cheminement de deuxième flux (Fb) de solution électrolytique, comprenant un deuxième séparateur gaz-liquide (16b) adapté pour isoler un deuxième produit d’électrolyse du deuxième flux (Fb), une deuxième canalisation (14b) reliant la solution électrolytique au deuxième séparateur, et un deuxième conduit (18a) qui relie une sortie du deuxième séparateur à la solution électrolytique ; - une unité de préchauffage (20) pour chauffer au moins l’un des premier et deuxième flux (Fa, Fb).The present invention relates to an electrolyser (10) comprising: - a stack (12) immersed in an electrolytic solution - a path of first flow (Fa) of electrolytic solution, comprising a first gas-liquid separator (16a) adapted to isolate a first electrolysis product from the first flow (Fa), a first pipe (14a) connecting the solution to an inlet of the first separator, and a first conduit (18a) which connects an outlet of the first separator to the electrolytic solution; - a path of second flow (Fb) of electrolytic solution, comprising a second gas-liquid separator (16b) adapted to isolate a second electrolysis product from the second flow (Fb), a second pipe (14b) connecting the electrolytic solution to the second separator, and a second conduit (18a) which connects an outlet of the second separator to the electrolytic solution; - a preheating unit (20) for heating at least one of the first and second flows (Fa, Fb).
Description
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Titre de l’invention : UNITÉ D’ÉLECTROLYSE À PRODUCTIVITÉ ETTitle of the invention: ELECTROLYSIS UNIT WITH PRODUCTIVITY AND
DISPONIBILITÉ ACCRUESINCREASED AVAILABILITY
La présente invention se rapporte à la technologie d’électrolyse, notamment pour la production de dinydrogène (Hz) et de dioxygène (O2). Elle concerne plus particulièrement une unité d’électrolyse alcalin à efficacité instantanée augmentée.The present invention relates to electrolysis technology, in particular for the production of dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2). It relates more particularly to an alkaline electrolysis unit with increased instantaneous efficiency.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUETECHNICAL BACKGROUND
Une unité d’électrolyse, dite électrolyseur, comporte classiquement un stack formé d’une multitude de cellules électrolytiques empilées. Chaque cellule comprend deux électrodes, dont une cathode et une anode, baignant dans une solution électrolytique.An electrolysis unit, called an electrolyser, typically comprises a stack formed of a multitude of stacked electrolytic cells. Each cell comprises two electrodes, including a cathode and an anode, immersed in an electrolytic solution.
L’électrolyse consiste à imposer le passage d’un courant électrique entre ces deux électrodes pour provoquer une rupture de liaisons et la génération de nouveaux produits.Electrolysis consists of imposing the passage of an electric current between these two electrodes to cause a break in bonds and the generation of new products.
La solution électrolytique est une solution servant de siège à la réaction. Dans le cas d’une électrolyse dite alcaline pour la production de dinydrogène (Hz) et de dioxygène (O2), cette solution se présente sous la forme d’une solution aqueuse comprenant de l’eau pure, à savoir déminéralisée, et un additif alcalin hydrosoluble, dit électrolyte. L'électrolyte correspond généralement à de l’'hydroxyde de potassium (KOH) ou de l’'hydroxyde de sodium (NaOH).The electrolytic solution is a solution serving as a seat for the reaction. In the case of so-called alkaline electrolysis for the production of dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2), this solution is in the form of an aqueous solution comprising pure water, i.e. demineralized, and a water-soluble alkaline additive, called electrolyte. The electrolyte generally corresponds to potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH).
L’eau déminéralisée étant peu conductrice d’électricité, l'emploi de cet électrolyte permet d'aboutir à une conductance admissible moyennant la formation d'ions qui passent d'une électrode à l'autre pour assurer le passage du courant.Since demineralized water is a poor conductor of electricity, the use of this electrolyte makes it possible to achieve an admissible conductance by means of the formation of ions which pass from one electrode to the other to ensure the passage of current.
Au passage de ce courant électrique, les molécules d'eau (H2O) se dissocient en ions hydroxyde (HO7) et hydrogène (H*). Les cations d'hydrogène (H*) acceptent des électrons à la cathode dans une réaction d'oxydoréduction en formant du dihydrogène (Hz), tandis qu’une oxydation des anions hydroxyde (HO7) se produit à l’anode pour former du dioxygène (O2).As this electric current passes, water molecules (H2O) dissociate into hydroxide ions (HO7) and hydrogen ions (H*). The hydrogen cations (H*) accept electrons at the cathode in a redox reaction to form dihydrogen (Hz), while oxidation of the hydroxide anions (HO7) occurs at the anode to form dioxygen (O2).
En sortie, sont ainsi récupérés deux mélanges, dont un mélange formé de dioxygène (O2) et de solution électrolytique à l’anode, et un mélange formé de dinydrogène (Hz) et de solution électrolytique à la cathode. De manière connue, ces mélanges sont chacun acheminés vers un séparateur gaz-liquide pour isoler le dioxygène (O2) et le dinydrogène (Hz).At the outlet, two mixtures are recovered, including a mixture formed of dioxygen (O2) and electrolytic solution at the anode, and a mixture formed of dihydrogen (Hz) and electrolytic solution at the cathode. In a known manner, these mixtures are each routed to a gas-liquid separator to isolate the dioxygen (O2) and the dihydrogen (Hz).
La solution électrolytique résiduelle des deux mélanges, désignée par « lye », est alors réinjectée dans la solution électrolytique dans laquelle baignent les deux électrodes, sous la forme d’un circuit fermé.The residual electrolytic solution of the two mixtures, called “lye”, is then reinjected into the electrolytic solution in which the two electrodes are bathed, in the form of a closed circuit.
La température étant liée à l'agitation thermique des molécules et des ions en solution, il est compris qu’une montée en température de la solution électrolytique augmente la mobilité des ions et par voie de conséquence l'intensité du courant électrique la parcourant. La réaction d’électrolyse s’en retrouve favorisée.Since temperature is linked to the thermal agitation of molecules and ions in solution, it is understood that a rise in temperature of the electrolytic solution increases the mobility of the ions and consequently the intensity of the electric current flowing through it. The electrolysis reaction is thus favored.
Au démarrage de l’électrolyseur à température ambiante, la conductance de la solution électrolytique est faible, ce qui induit : - une puissance significativement réduite du stack par rapport à son régime nominal ; et - une perte par fuite en dinydrogène (Hz), dite HTO de l'anglais « amount of hydrogen in oxygen », qui se retrouve de manière inopinée dans le mélange à destination du séparateur gaz-liquide adapté pour isoler le dioxygène (O2), et corolairement ; - une perte par fuite en dioxygène (O2), dite OTH de l’anglais « amount of oxygen in hydrogene », retrouvée dans le mélange à destination du séparateur contrairement adapté pour isoler le dinydrogène (H2).When starting the electrolyser at room temperature, the conductance of the electrolytic solution is low, which leads to: - a significantly reduced power of the stack compared to its nominal speed; and - a loss by leakage of dihydrogen (Hz), called HTO from the English "amount of hydrogen in oxygen", which is unexpectedly found in the mixture intended for the gas-liquid separator adapted to isolate the dioxygen (O2), and corollary; - a loss by leakage of dioxygen (O2), called OTH from the English "amount of oxygen in hydrogen", found in the mixture intended for the separator contrary adapted to isolate the dihydrogen (H2).
En pratique, la solution électrolytique chauffe spontanément par effetIn practice, the electrolytic solution heats spontaneously by the effect
Joule au passage du courant. Néanmoins, cet effet Joule est significativement limité au démarrage du fait que le courant traversant est limité, ce qui rend le temps de chauffe particulièrement long.Joule effect when the current passes. However, this Joule effect is significantly limited at start-up because the current flowing through is limited, which makes the heating time particularly long.
Il est visé selon l'invention de proposer une solution permettant de limiter le temps de chauffe afin de pallier les défaillances de production susmentionnées.The aim of the invention is to propose a solution for limiting the heating time in order to overcome the aforementioned production failures.
À cet effet, l'invention a pour objet un électrolyseur comprenant : - un stack traversé d'amont en aval par une solution électrolytique et comportant un empilement de cellules électrolytiques baignant dans cette solution électrolytique ; - une boucle de cheminement de premier flux de solution électrolytique, comprenant un premier séparateur gaz-liquide adapté pour isoler un premier produit d’électrolyse du premier flux, une première canalisation de prélèvement de solution électrolytique en aval du stack qui est reliée à une entrée du premier séparateur gaz-liquide, et un premier conduit qui relie une sortie du premier séparateur gaz-liquide directement ou indirectement à la solution électrolytique en amont du stack ; - une boucle de cheminement de deuxième flux de solution électrolytique, comprenant un deuxième séparateur gaz-liquide adapté pour isoler un deuxième produit d’électrolyse du deuxième flux, une deuxième canalisation de prélèvement de solution électrolytique en aval du stack qui est reliée à une entrée de deuxième séparateur gaz-liquide, et un deuxième conduit qui relie une sortie du deuxième séparateur gaz-liquide directement ou indirectement à la solution électrolytique en amont du stack ; - une unité de préchauffage pour chauffer au moins l’un des premier et deuxième flux.For this purpose, the invention relates to an electrolyser comprising: - a stack traversed from upstream to downstream by an electrolytic solution and comprising a stack of electrolytic cells immersed in this electrolytic solution; - a first electrolytic solution flow routing loop, comprising a first gas-liquid separator adapted to isolate a first electrolysis product from the first flow, a first electrolytic solution sampling pipe downstream of the stack which is connected to an inlet of the first gas-liquid separator, and a first conduit which connects an outlet of the first gas-liquid separator directly or indirectly to the electrolytic solution upstream of the stack; - a second electrolytic solution flow routing loop, comprising a second gas-liquid separator adapted to isolate a second electrolysis product from the second flow, a second electrolytic solution sampling pipe downstream of the stack which is connected to an inlet of the second gas-liquid separator, and a second conduit which connects an outlet of the second gas-liquid separator directly or indirectly to the electrolytic solution upstream of the stack; - a preheating unit for heating at least one of the first and second streams.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel : - le premier conduit et le deuxième conduit sont reliés à une chambre de mélange, et - l'unité de préchauffage est agencée pour chauffer le mélange des premier et deuxième flux au niveau ou en sortie de chambre de mélange.The invention also relates to an electrolyser thus defined, in which: - the first conduit and the second conduit are connected to a mixing chamber, and - the preheating unit is arranged to heat the mixture of the first and second flows at or at the outlet of the mixing chamber.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel :The invention also relates to an electrolyser thus defined, in which:
- le premier conduit et le deuxième conduit sont isolés l’un de l’autre ; et - l'unité de préchauffage comporte un premier module de préchauffe agencé pour chauffer le premier flux et un deuxième module de préchauffe agencé pour chauffer le deuxième flux.- the first conduit and the second conduit are insulated from each other; and - the preheating unit comprises a first preheating module arranged to heat the first flow and a second preheating module arranged to heat the second flow.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel : - le premier module de préchauffage est agencé pour chauffer le premier flux au niveau du premier conduit ; et - le deuxième module de préchauffage est agencé pour chauffer le deuxième flux au niveau du deuxième conduit.The invention also relates to an electrolyser thus defined, in which: - the first preheating module is arranged to heat the first flow at the first conduit; and - the second preheating module is arranged to heat the second flow at the second conduit.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel l’unité de préchauffage comprend au moins un échangeur de chaleur.The invention also relates to an electrolyser thus defined, in which the preheating unit comprises at least one heat exchanger.
L’invention concerne également un électrolyseur ainsi défini, dans lequel unité de préchauffage comprend au moins une résistance chauffante.The invention also relates to an electrolyser thus defined, in which the preheating unit comprises at least one heating resistor.
L’invention concerne également un procédé de synthétisation de produit par électrolyse au moyen d’un électrolyseur ainsi défini, comprenant une étape de chauffe d’au moins un parmi le premier flux et le deuxième flux par l’unité de préchauffage quand la température de solution électrolytique est en deçà d’une température cible.The invention also relates to a method for synthesizing a product by electrolysis using an electrolyser thus defined, comprising a step of heating at least one of the first stream and the second stream by the preheating unit when the electrolytic solution temperature is below a target temperature.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini pour la synthétisation de dinydrogène (Hz) et de dioxygène (O2) par électrolyse d’une solution électrolytique comprenant de l’eau déminéralisée et de l’'hydroxyde de potassium (KOH) ou de l’'hydroxyde de sodium (NaOH), dans lequel la température oscille autour d’une température « cible ».The invention also relates to a process thus defined for the synthesis of dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2) by electrolysis of an electrolytic solution comprising demineralized water and potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH), in which the temperature oscillates around a "target" temperature.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: — [Fig.1] est un schéma de principe d’un premier mode de réalisation de l’électrolyseur selon l'invention.Other characteristics and advantages of the invention will become apparent when reading the detailed description which follows, for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which: — [Fig.1] is a schematic diagram of a first embodiment of the electrolyser according to the invention.
— [Fig.2] est un schéma de principe d’un second mode de réalisation de l’électrolyseur selon l'invention.— [Fig.2] is a schematic diagram of a second embodiment of the electrolyser according to the invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 5 En référence aux figures 1 et 2, une unité d’électrolyse 10, ou électrolyseur, selon l'invention comprend un stack 12 traversé d’amont AM en aval AV par une solution électrolytique. Ce stack 12, formant le noyau de l’électrolyseur 10, comporte une multitude de cellules électrolytiques empilées comprenant chacune deux électrodes plongées dans la solution électrolytique. Les électrodes de chaque cellule du stack 12, dont une cathode et une anode, sont séparées l’une de l’autre par une membrane, ou séparateur.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 5 With reference to Figures 1 and 2, an electrolysis unit 10, or electrolyzer, according to the invention comprises a stack 12 crossed from upstream AM to downstream AV by an electrolytic solution. This stack 12, forming the core of the electrolyzer 10, comprises a multitude of stacked electrolytic cells each comprising two electrodes immersed in the electrolytic solution. The electrodes of each cell of the stack 12, including a cathode and an anode, are separated from each other by a membrane, or separator.
Dans la suite, l’électrolyseur 10 selon l'invention va être décrit dans le cadre d’une application d’électrolyse dite alcaline pour la production de dihydrogène (Hz) et de dioxygène (O2). La solution électrolytique correspond à une solution alcaline aqueuse comprenant de l’eau déminéralisée (H20) ainsi que de l’'hydroxyde de potassium (KOH) en concentration prédéfinie.In the following, the electrolyser 10 according to the invention will be described in the context of an application of so-called alkaline electrolysis for the production of dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2). The electrolytic solution corresponds to an aqueous alkaline solution comprising demineralised water (H20) as well as potassium hydroxide (KOH) in a predefined concentration.
L’électrolyseur 10 comporte une première et une deuxième canalisation 14a, 14b prévues pour recueillir en aval AV du stack 12 les produits de réaction d’électrolyse et les véhiculer respectivement vers un premier et un deuxième séparateur gaz-liquide 16a, 16b.The electrolyser 10 comprises a first and a second pipe 14a, 14b provided to collect downstream AV of the stack 12 the electrolysis reaction products and convey them respectively to a first and a second gas-liquid separator 16a, 16b.
La première canalisation 14a acheminer vers le premier séparateur gaz-liquide 16a un premier flux Fa de solution électrolytique enrichie en dinydrogène (Hz) après réaction au niveau des cellules électrolytiques. Plus en détail, ce dinydrogène (Hz) est issu en cascade de la dissociation de l’eau (H2O) en cations d'hydrogène (H*) au passage d’un courant électrique, suivie d’une réaction d'oxydoréduction de ces ions avec la cathode. En sortie du premier séparateur gaz-liquide 16a, le dinydrogène (Hz) est isolé tandis que la solution électrolytique résiduelle, dite lye, du premier flux Fa est acheminée le long d’un conduit 18a par pompage pour réintégrer l'écoulement de solution électrolytique en amont AM du stack 12 .The first pipe 14a conveys to the first gas-liquid separator 16a a first flow Fa of electrolytic solution enriched in dihydrogen (Hz) after reaction at the electrolytic cells. In more detail, this dihydrogen (Hz) comes in cascade from the dissociation of water (H2O) into hydrogen cations (H*) when an electric current passes, followed by an oxidation-reduction reaction of these ions with the cathode. At the outlet of the first gas-liquid separator 16a, the dihydrogen (Hz) is isolated while the residual electrolytic solution, called lye, of the first flow Fa is conveyed along a pipe 18a by pumping to reintegrate the flow of electrolytic solution upstream AM of the stack 12.
La deuxième canalisation 14b achemine vers le deuxième séparateur gaz-liquide 16b un deuxième flux de solution électrolytique enrichie en dioxygène (O2) après réaction au niveau des cellules électrolytiques. Le dioxygène (O2) est le produit de la dissociation de l’eau en ions hydroxyde (HOT) et d'une oxydation de ces ions à l’anode. De la même manière que pour le premier séparateur gaz-liquide 16a, le deuxième séparateur gaz- liquide 16b permet d'isoler le dioxygène (O2) tandis que le lye du deuxième flux Fb est guidé par pompage le long d’un conduit 18b pour réintégrer l'écoulement de solution électrolytique en amont AM du stack 12.The second pipe 14b conveys to the second gas-liquid separator 16b a second flow of electrolytic solution enriched in dioxygen (O2) after reaction at the electrolytic cells. The dioxygen (O2) is the product of the dissociation of water into hydroxide ions (HOT) and of an oxidation of these ions at the anode. In the same way as for the first gas-liquid separator 16a, the second gas-liquid separator 16b makes it possible to isolate the dioxygen (O2) while the lye of the second flow Fb is guided by pumping along a pipe 18b to reintegrate the flow of electrolytic solution upstream AM of the stack 12.
Comme il est compris, après isolation des produits, les flux Fa et Fb reforment continument la solution électrolytique avant son passage au niveau des cellules électrolytiques du stack 12 où s'effectue la réaction, sous la forme de boucles de cheminement.As understood, after isolation of the products, the flows Fa and Fb continuously reform the electrolytic solution before its passage to the level of the electrolytic cells of stack 12 where the reaction takes place, in the form of routing loops.
Le rendement chimique de cette réaction pour former le dinydrogène (Hz) et le dioxygène (O2), à savoir son efficacité, est fonction du passage du courant qui permet de dissocier les modules (H20) en ions hydroxyde (HOT) ethydrogène (H*). Ce passage du courant dépend directement de la température : la température étant liée à l'agitation thermique des molécules et des ions en solution, il s'ensuit que plus on est chaud, plus on augmente la mobilité des ions et donc favorise leur migration entre la cathode et l’anode.The chemical yield of this reaction to form dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2), namely its efficiency, is a function of the passage of the current which allows the dissociation of the modules (H20) into hydroxide ions (HOT) and hydrogen (H*). This passage of the current depends directly on the temperature: the temperature being linked to the thermal agitation of the molecules and ions in solution, it follows that the hotter it is, the more the mobility of the ions increases and therefore promotes their migration between the cathode and the anode.
L'intensité du courant électrique parcourant la solution électrolytique s’en retrouve donc augmentée à mesure que la température monte.The intensity of the electric current flowing through the electrolytic solution therefore increases as the temperature rises.
A cet égard, l’idée à la base de l'invention réside dans la mise en place de mesures visant à limiter un temps de chauffe de la solution électrolytique pour atteindre sa température « cible » lors de la mise en marche de l’électrolyseur 10.In this regard, the idea behind the invention lies in the implementation of measures aimed at limiting the heating time of the electrolytic solution to reach its “target” temperature when starting the electrolyser 10.
A cet égard, l’électrolyseur 10 selon l'invention comporte unité de préchauffage 20 qui permet de limiter le temps d'amorce nécessaire à aboutir à la température « cible ».In this regard, the electrolyser 10 according to the invention comprises a preheating unit 20 which makes it possible to limit the start-up time required to reach the “target” temperature.
La figure 1 illustre une première variante d’arrangement de l’électrolyseur 10 dans lequel le lye issu du premier flux Fa et le lye issu du deuxième flux Fb sont acheminés dans une chambre de mélange 19 par les conduits 18a et 18b. En pareil cas, la chambre de mélange 19 est judicieusement chauffée par l’unité de préchauffage 20 de manière à réinjecter le mélange des deux flux à une température plus élevée dans l'écoulement de solution électrolytique traversant le stack 12. Il s'ensuit une montée globale de température de la solution électrolytique.Figure 1 illustrates a first variant arrangement of the electrolyser 10 in which the lye from the first flow Fa and the lye from the second flow Fb are conveyed into a mixing chamber 19 via the conduits 18a and 18b. In such a case, the mixing chamber 19 is judiciously heated by the preheating unit 20 so as to reinject the mixture of the two flows at a higher temperature into the flow of electrolytic solution passing through the stack 12. This results in an overall rise in temperature of the electrolytic solution.
A noter que l’unité de préchauffage 20 n’est pas limitée à cet agencement particulier. Elle peut être disposée le long d’une canalisation, notée 22, qui véhicule le mélange vers le stack 12 en sortie de cette chambre de mélange 19.Note that the preheating unit 20 is not limited to this particular arrangement. It can be arranged along a pipe, denoted 22, which carries the mixture to the stack 12 at the outlet of this mixing chamber 19.
La figure 2 illustre une seconde variante d'arrangement de l’électrolyseur 10 dans lequel les conduits 18a et 18b acheminent chacun de manière isolée le lye pour reformer la solution électrolytique traversant le stack 12. Il est retenu suivant cette architecture que l’unité de préchauffage 20 comporte : - un premier module de préchauffage, noté 20a, qui est agencé pour chauffer le lye au niveau du conduit 18a en sortie de premier séparateur gaz-liquide 16a ; et - un deuxième module de préchauffage 20b qui est agencé pour chauffer le lye au niveau du conduit 18b en sortie de deuxième séparateur gaz-liquide 16b.Figure 2 illustrates a second variant arrangement of the electrolyser 10 in which the conduits 18a and 18b each convey the lye in isolation to reform the electrolytic solution passing through the stack 12. It is retained according to this architecture that the preheating unit 20 comprises: - a first preheating module, denoted 20a, which is arranged to heat the lye at the conduit 18a at the outlet of the first gas-liquid separator 16a; and - a second preheating module 20b which is arranged to heat the lye at the conduit 18b at the outlet of the second gas-liquid separator 16b.
L’injection du lye préchauffé conduit ainsi à une réhausse globale de latempérature de la solution électrolytique. Il est donc permis d’atteindre de manière rapide et efficace la température « cible », à savoir optimale, de fonctionnement du stack 12. La température « cible » est fixée de manière non limitative à environ 70°C pour cette application de synthétisation de dinydrogène (Hz) et de dioxygène (O2) sur la base d’une solution électrolytique comprenant de l’eau déminéralisée et de l’'hydroxyde de potassium (KOH).The injection of the preheated lye thus leads to an overall increase in the temperature of the electrolytic solution. It is therefore possible to quickly and efficiently reach the “target” temperature, i.e. the optimum temperature, for operating the stack 12. The “target” temperature is set in a non-limiting manner at approximately 70°C for this application of synthesizing dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2) on the basis of an electrolytic solution comprising demineralized water and potassium hydroxide (KOH).
L'apport de chaleur selon invention permet donc à l’électrolyseur 10 d'atteindre le plus rapidement possible la température adéquate pour fonctionner à son régime nominal, à savoir fonctionner à son plein potentiel.The heat supply according to the invention therefore allows the electrolyser 10 to reach the appropriate temperature as quickly as possible to operate at its nominal speed, namely to operate at its full potential.
En pratique, il a été observé que l’unité de préchauffage 20 permet de chauffer la solution électrolytique jusqu’à sa température « cible » en 30 minutes à partir de la mise en fonctionnement à température ambiante de l’électrolyseur 10 considéré. Pour un même électrolyseur 10, mais dépourvu d'unité de préchauffage 20 conformément à l'invention, atteindre la température « cible » serait significativement plus long, de l’ordre de cinq à six heures. Cette particularité s'explique du fait qu’en l’absence de l’unité de préchauffage 20 selon l'invention, la solution monterait en température uniquement par effet Joule, au passage du courant. L'effet Joule étant tributaire de la conductance de la solution électrolytique, il est compris que cette montée en température uniquement sur cette base est particulièrement limitée et longue à la mise en marche de l’électrolyseur 10 tant la mobilité des ions est faible à température ambiante.In practice, it has been observed that the preheating unit 20 makes it possible to heat the electrolytic solution to its “target” temperature in 30 minutes from the start-up at room temperature of the electrolyser 10 in question. For the same electrolyser 10, but without a preheating unit 20 in accordance with the invention, reaching the “target” temperature would take significantly longer, of the order of five to six hours. This particularity is explained by the fact that in the absence of the preheating unit 20 according to the invention, the solution would rise in temperature solely by the Joule effect, when the current passes. Since the Joule effect depends on the conductance of the electrolytic solution, it is understood that this rise in temperature solely on this basis is particularly limited and long when the electrolyser 10 is started up, as the mobility of the ions is low at room temperature.
Dans les exemples des figures 1 et 2, l'unité de préchauffage 20 est avantageusement située en amont AM du stack 12, et plus particulièrement agencée pour chauffer les flux Fa et Fb entre les séparateurs gaz-liquide 16a, 16b et le point de réinjection dans la solution électrolytique parcourant le stack 12. Cet arrangement n’est pas limitatif dans le cadre de l'invention mais reste particulièrement préconisé.In the examples of figures 1 and 2, the preheating unit 20 is advantageously located upstream AM of the stack 12, and more particularly arranged to heat the flows Fa and Fb between the gas-liquid separators 16a, 16b and the reinjection point into the electrolytic solution flowing through the stack 12. This arrangement is not limiting within the scope of the invention but remains particularly recommended.
En effet, d’une part, si Vunité de préchauffage 20 était disposée au niveau du stack 12, il pourrait survenir l'apparition d’un mélange gaz-liquide au niveau des cellules électrolytiques, ce qui pénaliserait le rendement de réaction.Indeed, on the one hand, if the preheating unit 20 were arranged at the level of the stack 12, a gas-liquid mixture could appear at the level of the electrolytic cells, which would penalize the reaction yield.
D’autre part, un agencement entre le stack 12 et les séparateurs gaz- liquide 16a et 16b conduirait à chauffer le dihydrogène (Hz) et le dioxygène (O2) encore présents dans les flux Fa et Fb, ce qui est contreproductif étant donné que ces éléments sont : - extraits de la solution électrolytique, ce qui reviendrait à utiliser une partie des calories pour ne pas réchauffer la solution électrolytique ; et - communément refroidis après leur captation, ce qui nécessiterait donc par la suite de consommer plus d’énergie pour leur refroidissement.On the other hand, an arrangement between the stack 12 and the gas-liquid separators 16a and 16b would lead to heating the dihydrogen (Hz) and the dioxygen (O2) still present in the flows Fa and Fb, which is counterproductive given that these elements are: - extracted from the electrolytic solution, which would amount to using part of the calories so as not to heat the electrolytic solution; and - commonly cooled after their capture, which would therefore subsequently require consuming more energy for their cooling.
L’unité de préchauffage 20 peut avantageusement se présenter sous la forme d’un ou de plusieurs échangeur(s) de chaleur, par exemple de typeThe preheating unit 20 can advantageously be in the form of one or more heat exchangers, for example of the type
ACOC comprenant avantageusement des ailettes baignant dans les flux Fa et Fb considérés. Ces ailettes peuvent dépasser de la paroi de délimitation des conduits 18a et 18b dans le cas de la figure 1 ou soit de la chambre de mélange 19 soit de la canalisation 22 dans l'exemple de la figure 2.ACOC advantageously comprising fins bathed in the flows Fa and Fb considered. These fins can protrude from the delimiting wall of the conduits 18a and 18b in the case of figure 1 or either from the mixing chamber 19 or from the pipe 22 in the example of figure 2.
A noter que d'autres dispositifs peuvent être retenus en qualité d’unité de préchauffage 20 sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, l'unité peut comprendre une ou plusieurs résistance(s) chauffante(s) ou autres types d’apport de chaleur (pompe à chaleur, échangeur à plaque, …).It should be noted that other devices may be retained as preheating unit 20 without departing from the scope of the invention. For example, the unit may comprise one or more heating resistors or other types of heat input (heat pump, plate exchanger, etc.).
L’invention a été expliquée comme se rapportant à l’intégration d’une unité de préchauffage 20 permettant de limiter la phase dite d’amorce de l’électrolyseur 10 durant laquelle il ne fonctionne pas à plein potentiel. Il est à noter néanmoins que l’unité de préchauffage 20 trouve son application tout le long du cycle de fonctionnement, en permettant un pilotage continu de la température : dès que la température de la solution électrolytique baisse de manière inopinée, il est permis de la réchauffer pour revenir à la température optimale de fonctionnement.The invention has been explained as relating to the integration of a preheating unit 20 making it possible to limit the so-called priming phase of the electrolyser 10 during which it does not operate at full potential. It should be noted, however, that the preheating unit 20 finds its application throughout the operating cycle, by allowing continuous control of the temperature: as soon as the temperature of the electrolytic solution drops unexpectedly, it is possible to reheat it to return to the optimum operating temperature.
L’électrolyseur 10 selon l'invention permet également d'augmenter la qualité et la quantité de dinydrogène (Hz) et de dioxygène (O2) produits, entendu que le stack 12 travaille plus rapidement à haut régime. La qualité et la quantité de dinydrogène (Hz) et de dioxygène (O2) étant supérieures, l'énergie utilisée pour alimenter l’unité de préchauffage 20 est amortie.The electrolyser 10 according to the invention also makes it possible to increase the quality and quantity of dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2) produced, since the stack 12 works more quickly at high speed. The quality and quantity of dihydrogen (Hz) and dioxygen (O2) being higher, the energy used to power the preheating unit 20 is amortized.
L’électrolyseur 10 a été décrit pour une application d’électrolyse alcaline faisant intervenir une solution électrolytique composée d'hydroxyde de potassium (KOH). Il est à noter que l'invention n’est pas limitée à cette composition particulière. Elle trouve application pour tout type d'électrolyte alcalin, par exemple l’'hydroxyde de sodium (NaOH).The electrolyser 10 has been described for an alkaline electrolysis application involving an electrolytic solution composed of potassium hydroxide (KOH). It should be noted that the invention is not limited to this particular composition. It finds application for any type of alkaline electrolyte, for example sodium hydroxide (NaOH).
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| DATABASE WPI Week 2022082, Derwent World Patents Index; AN 2022-C20754, XP002811335 * |
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