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WO2011004099A1 - Systeme de conversion de l'energie a champ electrique augmente - Google Patents

Systeme de conversion de l'energie a champ electrique augmente Download PDF

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WO2011004099A1
WO2011004099A1 PCT/FR2010/051325 FR2010051325W WO2011004099A1 WO 2011004099 A1 WO2011004099 A1 WO 2011004099A1 FR 2010051325 W FR2010051325 W FR 2010051325W WO 2011004099 A1 WO2011004099 A1 WO 2011004099A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrode
energy conversion
conversion system
electrically conductive
conductive means
Prior art date
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PCT/FR2010/051325
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English (en)
Inventor
Jean-Marc Fleury
Gauthier Lasou
Philippe Alonso
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to RU2012103741/04A priority patent/RU2012103741A/ru
Priority to KR1020127003213A priority patent/KR20120085717A/ko
Priority to AU2010270061A priority patent/AU2010270061A1/en
Priority to CA2767482A priority patent/CA2767482A1/fr
Priority to EP10745342A priority patent/EP2483450A1/fr
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Priority to US13/382,539 priority patent/US20120115071A1/en
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to the conversion of energy and more specifically relates to a system for converting energy to an increased electric field around at least one of its two electrodes.
  • the invention also relates to different energy conversion devices made from such a system.
  • the invention relates to the application of a conductor means of electricity to the production of at least one of the two electrodes of such a system providing a significant increase effect of the electric field received by the other electrode. .
  • Energy conversion systems comprising a first electrode, a second electrode and an inter-electrode space comprising a functional medium such as an electrolyte or a dielectric.
  • a functional medium such as an electrolyte or a dielectric.
  • Their optimization is most often based on an empirical approach consisting of varying the different parameters defining the system.
  • the literature (engineering techniques, Encyclopedia of Electrochemistry, Ed. Wiley 2007, Handbook of Electrochemistry, 1 st Ed., Cynthia G. Zoski Ed. Elsevier 2007) teaches the various optimization strategies of a performance electrochemical reactor and also all the associated costs.
  • the parameters of interest are mainly the inter-electrode space, the catalyst and the electrolyte for the aspects related to the increase of the efficiency on the one hand, the increase of the electrode surface and the density of the electrode surface area for the aspects related to the investment costs (increase of the electric intensity and thus of the production rate for a given volume) on the other hand.
  • GB-A-2018826 teaches that it is desirable for an electrode to provide the electrolyte with the largest possible area, which can be achieved either by providing that the surface of the electrode has microscopic roughness or by providing that the overall structure of the electrode provides such a high surface.
  • US 4046664 also teaches that the efficiency of an electrochemical reactor depends on the surface of the working electrode, which must be maximized and fully exposed to the electrolyte.
  • the described document describes a working electrode consisting of a wick consisting of a large number of similar filaments, of the same length, made of copper or metal-coated carbon fibers arranged in parallel with each other. others, suspended by its upper end to a mounting member and electrical connection adapted to be in electrical contact with all the filaments of the wick.
  • the section of the filaments is as small as possible in order to fulfill two functions: to increase the contact surface of the working electrode with the electrolyte and to allow the passage of the electrolyte through the strand of filaments.
  • the reactor comprises a working electrode as just described, placed in a non-conductive guide member, and a conventional counter electrode.
  • the filaments of the working electrode tend to be arranged individually in the electrolyte as a result of the flow of electrolyte around the filaments.
  • the filaments are circular in section to prevent them from engaging with each other and prevent the passage of electrolyte.
  • US 4108755 discloses a reactor of the type according to US 4046664, the working electrode consisting of a wick consisting of a large number of metal filaments.
  • US 5294319 discloses an electrochemical reactor of which at least one electrode is made from a fiber or filament substrate having a unit diameter of less than 254 10 -6 m (10 mils), which is also in the form of strands or strips, this substrate then being subjected to successive operations to lead to the final electrode (catalyst deposition, annealing, compression).
  • US 4108754 discloses a reactor from US 4046664, wherein the working electrode is placed in a housing having an electrolyte supply at the top and electrolyte evacuation ports at the bottom.
  • the working electrode is formed of a large number of closely packed carbon fibers compressed with respect to one another and with electrical contact therebetween. It can be provided from 5,000 to 10,000 fibers each having a diameter between 5 to 15 micrometers (5 x 10 "6 m to 15 x 10 " 6 m), this range being purely indicative since it is taught that other diameters are possible.
  • US 4108757 describes an electrode for a reactor of the type described in US 4108754, comprising carbon fibers and fiber association means disposed on at least a limited portion of the length of the fibers. Therefore, the teaching of these different documents relates only to the surface of the desired working electrode, maximized and exposed to the electrolyte. No electrostatic benefit is actually derived from the microstructure of the electrode, in particular the radius of curvature of the filaments, since the use of wicks composed of multiple filaments is equivalent, in terms of structure for the electric field, to a filament whose diameter is about the diameter of a unit filament multiplied by the square root of the number of filaments of the wick.
  • US 4337138 raises the problem of increasing the efficiency of energy conversion systems.
  • this document describes an electrode which comprises an electrically conductive collector and a working surface containing a multiplicity of conductive islands in a non-conductive matrix.
  • the problem underlying the invention is therefore to have an energy conversion system of the type comprising a first electrode, a second electrode and an inter-electrode space comprising a functional medium such as an electrolyte or a dielectric, which is optimized to provide high efficiency at a reasonable commercial scale manufacturing cost and operating cost.
  • the invention aims to provide a solution to this problem, this solution being furthermore simple to implement, as well as reproducible and reliable.
  • the invention is based first of all on the demonstration of an effect that has not been identified so far in the context of the invention, that an elongated electrically conductive means with a radius of curvature R less than 40 x 10 "6 m (40 micrometers) arranged to constitute at least the first electrode of an energy conversion system further comprising a second electrode and an inter-electrode space comprising a functional medium, is suitable for scale from nanometric to millimeter, to significantly increase the electric field around the first electrode thus formed.
  • corona effect by analogy with the conventional corona effect known in the case of electrical cables whose diameter is of the order of a few centimeters, under high electrical voltage, of the order of several tens of kilo volts.
  • the so-called "corona effect” is obtained with an electrically conductive means whose radius of curvature R is very small - less than 40 x 10 "6 m (40 micrometers) - and with a voltage also very low compared to the radius of curvature and voltage known in the case of the conventional corona effect.
  • the invention is then based on the observation that such a first electrode combined with an inter-electrode gap having a thickness of between 1 ⁇ 10 -9 m and 5 ⁇ 10 -3 m (1 nanometer and 5 millimeters) is such that the second electrode is able to see the electric field thus increased, so that the energy conversion system takes advantage of this "crown effect".
  • the invention is also based on the observation that this "corona effect" which must exist without being measurable for short lengths of filaments, becomes interesting in terms of efficiency when the length of the constituent filament exceeds 10 6 (one million) times its radius and preferentially 2.5 x 10 7 (25 million) times its radius.
  • the invention is also based on the observation that such a structure - first electrode and interelectrode space - combined with a structure of the first electrode such as its interfacial surface is high, provides surprising results in terms of conversion efficiencies of the first electrode. 'energy.
  • the invention consists of an energy conversion system comprising a first electrode, a second electrode and, between them, an interelectrode space comprising a functional medium, the first electrode being made from at least an electrically conductive means, elongate and of total length L, with curved section and radius of curvature R, arranged in a solid overall structure, with a more or less aerated consistency, able to be in all places at the same potential electrical and thus constitute the said first electrode.
  • the energy conversion system according to the invention is characterized in that:
  • R is less than 40 x 10-6 m (40 micrometers)
  • the inter-electrode space is of a thickness of between 1 ⁇ 10 -9 m and 5 ⁇ 10 -3 m (1 nanometer and 5 millimeters),
  • the total length L of the at least one electrically conductive means of the first electrode is greater than 1 ⁇ 10 3 m (1 kilometer), and
  • the ratio L / R is greater than 10 6 (one million) so that the first electrode provides on the scale from nanometric to millimeter a significant increase effect of the electric field seen by the second electrode.
  • the invention also relates to an energy conversion system comprising a first electrode, a second electrode and, between them, an inter-electrode space comprising a functional medium, the first electrode being made from at least one electrically conductive means, elongate and of total length L, of curved section and of radius of curvature R, arranged in a solid overall structure, with a more or less aerated consistency, suitable for being in all same electrical potential and thus constitute said first electrode.
  • This system is characterized in that
  • R is less than 50 x 10-6 m (50 micrometers)
  • the inter-electrode space is of a thickness of between 1 ⁇ 10 -9 m and 2 ⁇ 10 -2 m (1 nanometer and 2 cm), and the ratio L / R is greater than 3 ⁇ 10 6 (three million) so that the first electrode (106, 306) provides on the scale from nanometric to millimeter an effect of significant increase of the electric field seen by the second electrode (107, 307).
  • the electrically conductive means of the first electrode consists of an electrical conductor or comprises an electrically insulating internal structure covered with an external conductive structure of electricity, this external structure being able to be under layer form.
  • the outer structure is in the form of a layer.
  • the electrically conductive means of the first electrode is made of, or comprises, at least one material selected from the group consisting of carbon, graphite, nickel and an alloy comprising nickel and steels and alloys comprising iron.
  • the electrically conductive means of the first electrode is self-supporting or non-self-supporting, the first electrode comprising a part of mechanical resistance.
  • the electrically conductive means of the first electrode (106, 306) is in the form of a filament, or fiber, or tip.
  • the overall structure of the electrically conductive means of the first electrode is an unorganized bulk structure or an organized structure, in particular in the form of a sheet, or plate, or strip, or coil.
  • the electrically conductive means of the first electrode is looped on itself in a closed circuit.
  • the electrically conductive means of the first electrode is not looped on itself in an open circuit.
  • the conversion system comprises a first electrode and a second electrode having a symmetrical or pseudo-symmetrical structure.
  • the conversion system comprises a first electrode and a second electrode having an asymmetrical structure.
  • the invention also relates to an energy conversion device including an energy conversion system according to the first embodiment, consisting of an electrolysis, photolysis, electro-synthesis, electric generator device. by reverse electrolysis, fuel cell, electric accumulator, ozone generator, electrodialysis.
  • the invention also relates to an energy conversion device including an energy conversion system according to the second embodiment, consisting of a device such as capacitor, discharge lamp, photovoltaic generator, photo conductor solar cell. -active.
  • the invention further relates to an application of an elongated electrically conductive means of length L greater than 1 x 10 3 m (1 kilometer) and radius of curvature R less than 40 x 10-6 m (40 micrometers). such that the L / R ratio is greater than 10 6 (one million), the constitution of a first electrode of an energy conversion system further comprising a second electrode and an inter-electrode gap comprising a medium functional, the first electrode providing on the scale from nanometric to millimeter an effect of significant increase of the electric field.
  • the invention also relates to an application of an elongated electrically conductive means of length L greater than 1 ⁇ 10 3 m (1 kilometer) and having a radius of curvature R of less than 40 ⁇ 10 -6 m (40 micrometers) such that the L / R ratio is greater than 10 6 (one million), the constitution of a first electrode of an energy conversion system further comprising a second electrode and an inter-electrode gap comprising a functional medium , the first electrode providing on the scale from nanometric to millimeter a significant increase effect of the electric field seen by the second electrode, the inter-electrode space having a thickness of between 1 ⁇ 10 -9 m and 5 ⁇ 10 "3 m (1 nanometer and 5 millimeters).
  • the invention also relates to the application of the energy conversion system according to the invention for producing nanometric to micrometric powders.
  • FIG. 1 is a perspective diagram of a first possible particular embodiment of a device including a system for converting the energy according to the invention, namely an electrolysis device, the first electrode and the second electrode of the system having a symmetrical or pseudo-symmetrical structure.
  • FIG. 1 is a graph showing the evolution of the efficiency of the electrolysis device in percentage (ordinate) for all the experiments carried out, as a function of the ratio of the length of the filament on its radius (abscissa).
  • FIG. 2 is a perspective diagram of a second particular embodiment of the device including a conversion system of the energy according to the invention, namely a capacitor, the two electrodes here also having an asymmetrical structure.
  • FIG. 3 is a diagram at the micrometric scale illustrating a first possible embodiment of an electrode of the energy conversion system in which the electrically conductive means is in the form of a fiber, with an overall structure in bulk unorganized.
  • FIG. 4 is a micrometric scale diagram illustrating a second possible embodiment of an electrode of the energy conversion system in which the electrically conductive means is in the form of a filament, with an overall structure organized such as a fabric or a network.
  • FIG. 5 is a diagram at the micrometric scale illustrating a third possible embodiment of an electrode of the energy conversion system in which the electricity conducting means is in the form of a peak, according to an overall structure organized in network.
  • FIG. 1 illustrates an electrolysis device 101, axis 102 of revolution.
  • This electrolysis device 101 comprises an outer hollow enclosure 103, here of cylindrical shape.
  • the outer hollow enclosure 103 encloses an anode compartment 104 and a cathode compartment 105. These two compartments 104, 105 are generally cylindrical in shape, coaxial with axis 102. They are placed one inside the other, here the anode compartment 104 surrounding the cathode compartment 105 to the outside.
  • the anode compartment 104 comprises an anode electrode 106 and the cathode compartment 105 comprises a cathode electrode 107.
  • a potential difference is applied at 108 between the anode 106 and the cathode 107.
  • the inner surface 109 of the anode 106 and the outer surface 110 of the cathode 107 are located opposite one another and define between them an inter-electrode space 11.
  • a filter 112 placed in the inter-electrode space 11 1 separates the anode 106 from the cathode 107 and allows the presence of an electrolyte between them.
  • the electrolyte is tap water, slightly ionized, a passive system constituted by a cylindrical magnet 113 such as a NdFeB magnet, placed in the center of the cathode compartment 105 provided for this purpose with a central empty space.
  • the anode 106 and the cathode 107 have, in the embodiment considered here, an identical or similar structure, without necessarily having the same surface, which qualifies this structure as symmetrical or pseudo-symmetrical.
  • a structure consisting of a generally hollow cylinder-shaped filter with pores of 25 x 10 -6 m (25 micrometers). and towards the interior of this structure, steel wool having a small radius of curvature R of 9 x 10 -6 m (9 micrometers) is moderately packed - with a porosity of greater than 70%, the length L total of each steel wool electrode being 10 x 10 3 m (10 km).
  • corona effect resulting from the combination of an anode 106 and a cathode 107 made from a means of conducting electricity (fibers or filaments of steel wool) lengthened length L equal to 1 x 10 3 m (10 kilometers) and with a very small radius of curvature R less than 40 ⁇ 10 -6 m (40 micrometers), such that the L / R ratio is greater than 10 6 (1.1 ⁇ 10 9 in this case) and a space inter-electrodes 11 of small thickness between 1 x 10 -9 m and 5 x 10 -3 m (1 nanometer and 1 millimeter), so that the electric field around an electrode, at the nanoscale to millimeter, is increased significantly, being able to be seen by the other electrode.
  • the structure of the anode 106 and the cathode 107 is such that their interfacial surface is high, which in turn contributes to increasing the efficiency of the system.
  • steel wool is not inert in the functional environment of city water (tap water). It is rapidly destroyed during the electrochemical operation of the reactor. Further tests have therefore been carried out with materials normally considered relatively inert, such as nickel. It quickly appeared a decomposition of the nickel electrodes at the anode as the cathode and the appearance of an oxidized nickel compound in the form of a micrometer-sized powder.
  • an electrolyzer comprising a pure nickel fabric cathode and a gold anode also resulted in the decomposition of the two electrodes, the nickel cathode having a black powder appearance while the gold anode fragmented in gold microparticles.
  • An elemental electrolyser was produced in a cylindrical geometry, without any separation wall between the anode compartment and the cathode compartment (filter or membrane).
  • the facing surface of each electrode was set at 30 cm 2 , the voltage was set at 2.5 V, the spacing between the electrodes was set at 10 -3 m (5 mm), the electrolyte being 20% by weight of sodium silicate compound and 20% by weight of sodium hydroxide in demineralized water, this electrolyte making it possible to obtain a high conductivity while guaranteeing the stability of the electrodes, even in the case of steel.
  • the measured efficiency is the ratio of the energy contained in the hydrogen produced to the energy supplied by the power supply.
  • the graph of FIG. 1 represents the evolution of the yield in percentage (ordinate) for all the experiments carried out, as a function of the ratio of the length of the filament on its radius (abscissa).
  • a last experiment was carried out with an electrolysis cell intended for the production of hydrogen, composed of a cathode made from a nickel fabric, an anode made of stainless steel fabric, the two electrodes having a surface facing 1 dm 2 (1 square decimeter) and being spaced from each other by 5 mm (5 millimeters).
  • the electrolyte was composed of 30% potassium hydroxide and 20% potassium silicate in deionized water.
  • the measured efficiency, at ambient temperature and pressure, for a voltage of 1.9 volts under these non-optimal conditions was found to be 88%. This kind of device whose manufacturing and operating costs are very low allows to consider a commercial operation.
  • the energy conversion system can also, always with a first electrode and a second electrode having a symmetrical or pseudo-symmetrical structure, make it possible to produce an electric generator.
  • the device is structurally identical or analogous to the electrolysis device. In this case, the lower part of the device is injected with hydrogen into the anode compartment and air into the cathode compartment in the form of microbubbles.
  • An inverse reaction to electrolysis makes it possible to generate electric current.
  • Such a device allows a reversible reaction: electrolysis or generation of an electric current.
  • Electrodes with a symmetrical or pseudo-symmetrical structure of the electrodes are conceivable, such as photolysis device, electro-synthesis device, fuel cell, electric accumulator, ozone generator, electrodialyzer.
  • the electrodes may be asymmetrical, as in the case of a capacitor 301 corresponding to the embodiment of FIG. 3.
  • the capacitor 301 comprises an outer hollow enclosure 303, here of cylindrical shape and axis 302.
  • the outer hollow enclosure 303 encloses a first electrode 306 and a second electrode 307.
  • the first electrode 306 is made from a copper wire with a length of 1 x 10 3 m (1 kilometer) and a diameter (2 x R) of 50 x 10-6 m (50 micrometers), looped on itself, disposed on the outer face of a cylindrical support, itself placed in the outer hollow enclosure 303.
  • the second electrode 307 is an electrolyte placed in the gap between a dielectric 31 1 in the form of a layer externally coating the conductive wire of the first electrode 306 and the outer hollow enclosure 303.
  • the dielectric 311 thus fills the space between the electrodes 306 and 307.
  • the dielectric 311 is constituted by polyurethane. Electrical connectors 316 and 317 are connected firstly to the electrically conductive wire of the first electrode 306 and to the electrolyte forming the second electrode 307.
  • the calculated theoretical capacitance of the capacitor 301 is 3 ⁇ F (3 microfarads).
  • the capacity is first 25 ⁇ F (25 microfarads), then increases to 120 ⁇ F (120 microfarads) and then stabilizes.
  • the first electrode 306 is of a type similar to the anodes 106 and 206 previously described, whereas the second electrode 307, here an electrolyte, has a different structure of both the first electrode 306 and the cathode 107 described above, which justifies qualifying the structure of the electrodes of the asymmetrical capacitor 301.
  • an enamelled copper wire is used for producing the first electrode 306, but an aluminum wire having a diameter (2 ⁇ R) of 40 ⁇ 10 -6 m (40 micrometers) and a length of 600 m (600 meters) approximately.
  • An oxidation layer is created on the aluminum wire depending on the desired maximum operating voltage, for example 15O x 10 -9 m (150 nanometers), for a voltage of 100 V (100 volts).
  • the surface of the electrode thus produced is of the order of 145 ⁇ 10 -4 m 2 (145 square centimeters) .
  • the theoretical capacity of such a capacitor is 9 ⁇ F (9 microfarads), but its real capacity considering of the "crown" increase effect is greater.
  • Electrodes can be envisaged from an asymmetrical structure of electrodes, such as a discharge lamp, a photovoltaic generator, a photoconductive solar cell. In all cases, these devices are based on energy conversion systems comprising a first electrode (106, 306), a second electrode (107, 307) and, between them, an inter-electrode gap (11, 31). 1) comprising a functional medium.
  • One of the electrodes - in this case the first electrode or anode - in the case of an asymmetrical structure, or the two electrodes, in the case of a symmetrical or pseudo-symmetrical structure, is produced from least one electrically conductive means, which is elongated and of total length L, with curved section and radius of curvature R, arranged in a solid overall structure, with a more or less aerated consistency, suitable for all locations at the same electrical potential and thus constitute said first electrode or said first electrode and second electrode.
  • the radius of curvature R is less than 40 ⁇ 10 -6 m (40 micrometers) and the average height is greater than 10 6 (one million), preferably greater than 2, 5 x 10 7 (25 million).
  • the inter-electrode space (1 11, 31 1) is of a thickness (distance between the two electrodes) of between 1 x 10 -9 m and 5 x 10 -3 m (1 nanometer and 5 mm) .
  • a thickness distance between the two electrodes of between 1 x 10 -9 m and 5 x 10 -3 m (1 nanometer and 5 mm) .
  • the electrically conductive means of the electrode or electrodes in question may be the subject of different embodiments.
  • the electrically conductive means consists of an electrical conductor.
  • the electrically conductive means comprises an electrically insulating internal structure covered with an external conductive structure of electricity.
  • an external structure is typically in the form of a layer.
  • the electrically conductive means comprises at least one material chosen to be adapted to the functional medium for the intended application (electrolysis, photolysis, production of powders).
  • it may be carbon, graphite, nickel or an alloy comprising nickel, stainless steel or a photosensitive material.
  • the conductive means is not able, in itself, to present the necessary overall mechanical strength.
  • the electrically conductive means comprises a portion of mechanical strength and a conductive portion of electricity.
  • the electrically conductive means is carried by a separate mechanical strength means 400, such as a plate, a strip, a coil, etc.
  • the electrically conductive means is in the form of a filament or fiber 401, as it is represented in FIGS. 3 and 4.
  • This embodiment is not exclusive of others, for example a tip shape 402, as shown in Figure 5.
  • Such tips 402 may protrude from a strength means 400, such as a plate.
  • the overall structure of the electrically conductive means is unorganized, in bulk.
  • the overall structure of the electrically conductive means is organized. It is a kind of fabric (Figure 4), or a flat coil or a network of points (Figure 5).
  • the conductive means of electricity is looped on itself in closed circuit or not looped, being then in open circuit. In all cases, the driver is in all places at the same electrical potential.
  • the invention can also be seen as the application of a conductive means as just described to the constitution of at least one, and possibly both, electrodes ( 106, 107, 306) of an energy conversion system, providing on the scale from nanometric to millimeter a significant increase effect of the electric field.
  • an energy conversion system of the type comprising a first electrode, a second electrode and an inter-electrode space comprising a functional medium such as an electrolyte or a dielectric. optimized to provide high efficiency at reasonable commercial scale manufacturing cost and operating cost for commercial operation.
  • the energy conversion system comprises a first electrode made from a conductive, elongate and total length wire L, having a curved section and a radius of curvature equal to 45 ⁇ 10 -6. m (45 micrometers).
  • the energy conversion system further comprises a second electrode and, between them, a 1.5 centimeter inter-electrode gap comprising a functional medium composed of 20% by weight sodium silicate and sodium hydroxide. 10% by weight in demineralised water.
  • the L / R ratio is equal to 5 x 10 6 (5 million), which makes it possible to obtain, at the nanometric to millimeter scale, a significant increase effect of the electric field seen by the second electrode.

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Abstract

L'invention consiste en un système de conversion de l'énergie comprenant une première électrode (106), une seconde électrode (107) et, entre elles, un espace inter-électrodes (111) comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode (106) étant réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité, allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R, agencé selon une structure d'ensemble solide, à consistance plus ou moins aérée, apte à être en tous endroits au même potentiel électrique et constituer ainsi la dite première électrode (106). Le système se caractérise en ce que:R est inférieur à 40 x 10-6 m (40 micromètres), l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10-9 m et 5 x 10-3 m (1 nanomètre et 5 millimètres), la longueur totale L du au moins un moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106) est supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre), et le rapport L/R est supérieur à 106 (un million) de sorte que la première électrode (106, 306) procure à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode (107).

Description

Système de conversion de l'énergie à champ électrique augmenté
L'invention est relative à la conversion de l'énergie et elle vise plus spécialement un système de conversion de l'énergie à champ électrique augmenté autour de l'une au moins de ses deux électrodes. L'invention vise également différents dispositifs de conversion de l'énergie réalisés à partir d'un tel système. L'invention vise enfin l'application d'un moyen conducteur de l'électricité à la réalisation de l'une au moins des deux électrodes d'un tel système procurant un effet d'augmentation significative du champ électrique reçu par l'autre électrode.
On connaît des systèmes de conversion de l'énergie comportant une première électrode, une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel tel qu'un électrolyte ou un diélectrique. L'efficacité de tels systèmes dépend notamment des deux paramètres que sont le rendement du système et son coût. Leur optimisation repose le plus souvent sur une démarche empirique consistant à faire varier les différents paramètres définissant le système.
La littérature spécialisée (Techniques de l'ingénieur, Encyclopedia of Electrochemistry, Ed. Wiley 2007, Handbook of Electrochemistry, 1st Ed., Cynthia G. Zoski, Ed. Elsevier 2007) enseigne les différentes stratégies d'optimisation du rendement d'un réacteur électrochimique et également de l'ensemble des coûts associés. En particulier, il y est indiqué que les paramètres intéressants sont principalement l'espace inter-électrode, le catalyseur et l'électrolyte pour les aspects liés à l'augmentation du rendement d'une part, l'augmentation de la surface d'électrode et de la densité volumique de surface d'électrode pour les aspects liés aux coûts d'investissement (augmentation de l'intensité électrique donc du débit de production pour un volume donné) d'autre part.
Le document GB-A-2018826 enseigne qu'il est souhaitable qu'une électrode offre à l'électrolyte la plus grande surface possible, ce qui peut être réalisé soit en prévoyant que la surface de l'électrode présente des micros rugosités soit en prévoyant que la structure d'ensemble de l'électrode procure une telle surface élevée.
Le document US 4046664 enseigne également que l'efficacité d'un réacteur électrochimique dépend de la surface de l'électrode de travail, laquelle doit être maximisée et entièrement exposée à l'électrolyte. Le document décrit à cet effet une électrode de travail consistant en une mèche constituée d'un grand nombre de filaments similaires, de même longueur, en cuivre ou en fibres de carbone revêtues de métal, disposés en parallèle les uns à côté des autres, suspendue par son extrémité supérieure à un organe de montage et de connexion électrique apte à être en contact électrique avec tous les filaments de la mèche. La section des filaments est aussi petite que possible afin de remplir deux fonctions : augmenter la surface de contact de l'électrode de travail avec l'électrolyte et permettre le passage de l'électrolyte à travers la mèche de filaments. Le réacteur comprend une électrode de travail telle qu'elle vient d'être décrite, placée dans un organe de guidage non conducteur, et une contre électrode classique. Les filaments de l'électrode de travail ont tendance à se disposer individuellement dans l'électrolyte, par suite du flux d'électrolyte autour des filaments. Les filaments sont à section circulaire pour éviter qu'ils ne s'engagent les uns avec les autres et empêchent le passage de l'électrolyte.
Le document US 4108755 décrit un réacteur du type selon le document US 4046664, l'électrode de travail consistant en une mèche constituée d'un grand nombre de filaments métalliques.
Le document US 5294319 décrit un réacteur électrochimique dont au moins une électrode est constituée à partir d'un substrat de fibres ou filaments, dont le diamètre unitaire est inférieur à 254 10"6 m (10 mils), qui se présentent également sous forme de mèches ou de bandes, ce substrat faisant ensuite l'objet d'opérations successives pour aboutir à l'électrode finale (dépôt de catalyseur, recuit, compression).
Le document US 4108754 décrit un réacteur découlant du document US 4046664, dans lequel l'électrode de travail est placée dans un logement comportant une amenée d'électrolyte en partie supérieure et des orifices d'évacuation d'électrolyte en partie inférieure. L'électrode de travail est formée d'un grand nombre de fibres en carbone étroitement regroupées et compressées les unes par rapport aux autres, et avec un contact électrique entre elles. Il peut être prévu de 5.000 à 10.000 fibres ayant chacune un diamètre compris entre 5 à 15 micromètres (5 x 10"6 m à 15 x 10"6 m), cette fourchette étant purement indicative puisqu'il est enseigné que d'autres diamètres sont possibles.
Le document US 4108757 décrit une électrode pour un réacteur du type décrit dans le document US 4108754, comprenant des fibres en carbone et des moyens d'association des fibres disposés sur au moins une portion limitée de la longueur des fibres. Par conséquent, l'enseignement de ces différents documents porte seulement sur la surface de l'électrode de travail souhaitée, maximisée et exposée à l'électrolyte. Aucun bénéfice électrostatique n'est réellement tiré de la microstructure de l'électrode, en particulier du rayon de courbure des filaments, puisque l'emploi de mèches composées de multiples filaments équivaut, en terme de structure pour le champ électrique, à un filament dont le diamètre est d'environ le diamètre d'un filament unitaire que multiplie la racine carrée du nombre de filaments de la mèche.
D'autre part, le document US 4337138 pose le problème de l'augmentation du rendement des systèmes de conversion de l'énergie. A cet effet, ce document décrit une électrode qui comprend un collecteur électriquement conducteur et une surface de travail contenant une multiplicité d'îlots conducteurs dans une matrice non conductrice.
Le document US 4369104 pose le même problème et décrit à cet effet une électrode perfectionnée composite en graphite dans laquelle des fibres de graphite ayant un diamètre inférieur à 30 micromètres (30 x 10"6 m) sont dispersées dans une matrice en résine thermoplastique, en étant agencées de façon parallèle entre elles et perpendiculaire à la surface de la matrice.
Dans ces deux réalisations, on ne tire pas parti des parties conductrices noyées dans la matrice. Le document WO 2008/012403 pose aussi le problème de l'augmentation du rendement et décrit un dispositif d'électrolyse comportant un compartiment cathodique, un compartiment anodique et un élément de liaison de ces deux compartiments, le compartiment cathodique contenant au moins un acide faible. Un tel dispositif requiert la mise en œuvre de membranes échangeuses d'ions, ce qui en rend le coût prohibitif.
Le document US-A-2008/027787 pose le même problème et décrit une électrode poreuse, des nanoparticules de nickel étant en suspension dans les espaces vides. Une telle réalisation est complexe et coûteuse. Par conséquent, l'enseignement de cette seconde série de documents porte sur l'intérêt d'augmenter le rendement des systèmes de conversion de l'énergie et sur le fait que ce problème comporte nombre de solutions techniques différentes. Néanmoins, pour pouvoir espérer être exploitées industriellement, de telles solutions techniques doivent pouvoir être réalisées et exploitées à des conditions de coût acceptables, ce qui en l'espèce ne semble pas être le cas. Le problème à la base de l'invention est donc de disposer d'un système de conversion de l'énergie, du type comportant une première électrode, une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel tel qu'un électrolyte ou un diélectrique, qui soit optimisé afin de procurer un rendement élevé à un coût de fabrication à l'échelle industrielle et à un coût d'exploitation raisonnables permettant une exploitation commerciale.
L'invention vise à apporter une solution à ce problème, cette solution étant en outre simple à réaliser, ainsi que reproductible et fiable. L'invention repose tout d'abord sur la mise en évidence d'un effet non identifié jusqu'à présent dans le contexte de l'invention, qu'un moyen conducteur de l'électricité allongé et à rayon de courbure R inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) agencé pour constituer au moins la première électrode d'un système de conversion de l'énergie comprenant en outre une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel, est apte, à l'échelle de nanométrique à millimétrique, à augmenter de façon significative le champ électrique autour de la première électrode ainsi constituée.
Cet effet est ici dénommé « effet couronne », par analogie avec l'effet couronne classique connu dans le cas de câbles électriques dont le diamètre est de l'ordre de quelques centimètres, sous haute tension électrique, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilo volts.
Dans la présente invention, l'« effet couronne », ainsi dénommé, est obtenu avec un moyen conducteur de l'électricité dont le rayon de courbure R est très faible - inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) - et avec une tension électrique également très faibles comparativement au rayon de courbure et à la tension connus dans le cas de l'effet couronne classique.
L'invention repose ensuite sur la constatation qu'une telle première électrode combinée à un espace inter-électrodes d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres) est telle que la seconde électrode est apte à voir le champ électrique ainsi augmenté, de sorte que le système de conversion d'énergie tire parti de cet « effet couronne ».
L'invention repose aussi sur la constatation que cet "effet couronne" qui doit exister sans être mesurable pour des faibles longueurs de filaments, devient intéressant en terme d'efficacité dès lors que la longueur du filament constituant dépasse 106 (un million) fois son rayon et préférentiellement 2,5 x 107 (25 millions) fois son rayon. L'invention repose également sur la constatation qu'une telle structure - première électrode et espace inter-électrodes - combinée avec une structure de la première électrode telle que sa surface interfaciale est élevée, procure des résultats surprenants en termes de rendements de conversion de l'énergie.
L'invention repose enfin sur la constatation que les dispositions qui précèdent sont de portée générale et peuvent faire l'objet de nombreuses mises en œuvre différentes conduisant à une multiplicité d'applications. Selon un premier aspect, l'invention consiste en un système de conversion de l'énergie comprenant une première électrode, une seconde électrode et, entre elles, un espace interélectrodes comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode étant réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité, allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R, agencé selon une structure d'ensemble solide, à consistance plus ou moins aérée, apte à être en tous endroits au même potentiel électrique et constituer ainsi la dite première électrode. Le système de conversion de l'énergie selon l'invention se caractérise en ce que:
- R est inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres),
- l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres),
- la longueur totale L du au moins un moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre), et
- le rapport L/R est supérieur à 106 (un million) de sorte que la première électrode procure à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne également un système de conversion de l'énergie comprenant une première électrode, une seconde électrode et, entre elles, un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode étant réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité, allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R, agencé selon une structure d'ensemble solide, à consistance plus ou moins aérée, apte à être en tous endroits au même potentiel électrique et constituer ainsi la dite première électrode. Ce système ce caractérise en ce que
- R est inférieur à 50 x 10"6 m (50 micromètres),
- l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 2 x 10"2 m (1 nanomètre et 2 centimètres), et - le rapport L/R est supérieur à 3 x 106 (trois millions) de sorte que la première électrode (106, 306) procure à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode (107, 307). Selon les réalisations pouvant être envisagées, le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est constitué d'un conducteur électrique ou comprend une structure interne électriquement isolante recouverte d'une structure externe conductrice de l'électricité, cette structure externe pouvant être sous forme de couche. Selon une réalisation, la structure externe est en forme de couche.
Selon une réalisation, le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est réalisé en, ou comporte, au moins un matériau choisi dans le groupe comprenant le carbone, le graphite, le nickel et un alliage comprenant du nickel et les aciers et alliages comprenant du fer.
Selon une réalisation, le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est autoportant ou non autoportant, la première électrode comprenant une partie de résistance mécanique.
Selon une réalisation, le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est en forme de filament, ou de fibre, ou de pointe.
Selon une réalisation, la structure d'ensemble du moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est une structure en vrac non organisée ou une structure organisée, notamment en forme de nappe, ou de plaque, ou de bande, ou de bobine.
Selon une réalisation, le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est bouclé sur lui-même en circuit fermé.
Selon une réalisation, le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode est non bouclé sur lui-même en circuit ouvert.
Selon un premier mode de réalisation, le système de conversion comporte une première électrode et une seconde électrode ayant une structure symétrique ou pseudo-symétrique. Selon un deuxième mode de réalisation alternatif, le système de conversion comporte une première électrode et une seconde électrode ayant une structure asymétrique. L'invention concerne également un dispositif de conversion de l'énergie incluant un système de conversion de l'énergie selon le premier mode de réalisation précité, consistant en un dispositif d'électrolyse, de photolyse, d'électro-synthèse, de générateur électrique par électrolyse inverse, de pile à combustible, d'accumulateur électrique, de générateur d'ozone, d'électrodialyse.
L'invention concerne également un dispositif de conversion de l'énergie incluant un système de conversion de l'énergie selon le deuxième mode de réalisation précité, consistant en un dispositif tel que condensateur, lampe à décharge, générateur photovoltaïque, cellule solaire à conducteur photo-actif.
L'invention concerne en outre une application d'un moyen conducteur de l'électricité allongé de longueur L supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre) et de rayon de courbure R inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) tel que le rapport L/R est supérieur à 106 (un million), à la constitution d'une première électrode d'un système de conversion de l'énergie comprenant en outre une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique.
L'invention concerne également une application d'un moyen conducteur de l'électricité allongé de longueur L supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre) et de rayon de courbure R inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) tel que le rapport L/R est supérieur à 106 (un million), à la constitution d'une première électrode d'un système de conversion de l'énergie comprenant en outre une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode, l'espace inter-électrodes étant d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres).
L'invention concerne également l'application du système de conversion d'énergie selon l'invention pour la réalisation de poudres nanométriques à micrométriques.
Différents modes de réalisation de l'invention, non limitatifs, sont maintenant décrits en relation avec les dessins annexés, dans lesquels :
- La figure 1 est un schéma en perspective d'une première réalisation particulière possible d'un dispositif incluant un système de conversion de l'énergie conforme à l'invention, à savoir un dispositif d'électrolyse, la première électrode et la seconde électrode du système ayant une structure symétrique ou pseudo-symétrique.
- La figure 1 ' est un graphique représentant l'évolution du rendement du dispositif d'électrolyse en pourcentage (ordonnée) pour l'ensemble des expériences réalisées, en fonction du rapport de la longueur du filament sur son rayon (abscisse).
- La figure 2 est un schéma en perspective d'une deuxième réalisation particulière de dispositif incluant un système de conversion de l'énergie conforme à l'invention, à savoir un condensateur, les deux électrodes ayant ici aussi une structure asymétrique.
- La figure 3 est un schéma à l'échelle micrométrique illustrant une première réalisation possible d'une électrode du système de conversion de l'énergie dans laquelle le moyen conducteur de l'électricité est en forme de fibre, avec une structure d'ensemble en vrac non organisée.
- La figure 4 est un schéma à l'échelle micrométrique illustrant une deuxième réalisation possible d'une électrode du système de conversion de l'énergie dans laquelle le moyen conducteur de l'électricité est en forme de filament, avec une structure d'ensemble organisée telle qu'un tissu ou un réseau.
- La figure 5 est un schéma à l'échelle micrométrique illustrant une troisième réalisation possible d'une électrode du système de conversion de l'énergie dans laquelle le moyen conducteur de l'électricité est en forme de pointe, selon une structure d'ensemble organisée en réseau.
On se réfère maintenant plus spécialement à la figure 1 qui illustre un dispositif d'électrolyse 101 , d'axe 102 de révolution. Ce dispositif d'électrolyse 101 comprend une enceinte creuse extérieure 103, ici de forme cylindrique.
L'enceinte creuse extérieure 103 renferme un compartiment anodique 104 et un compartiment cathodique 105. Ces deux compartiments 104, 105 sont de forme générale cylindrique, coaxiales d'axe 102. Ils sont placés l'un dans l'autre, ici le compartiment anodique 104 entourant vers l'extérieur le compartiment cathodique 105.
Le compartiment anodique 104 comprend une électrode formant anode 106 et le compartiment cathodique 105 comprend une électrode formant cathode 107.
Une différence de potentiel est appliquée en 108 entre l'anode 106 et la cathode 107. La surface intérieure 109 de l'anode 106 et la surface extérieure 110 de la cathode 107 sont situées en regard l'une de l'autre et définissent entre elles un espace inter-électrodes 1 11.
Un filtre 112, placé dans l'espace inter-électrodes 1 1 1 sépare l'anode 106 de la cathode 107 et permet la présence entre elles d'un électrolyte. Dans le cadre d'un essai réalisé, l'électrolyte est de l'eau de ville (eau du robinet), légèrement ionisée, un système passif constitué par un aimant de forme cylindrique 113 tel qu'un aimant NdFeB, placé au centre du compartiment cathodique 105 pourvu à cet effet d'un espace vide central. L'anode 106 et la cathode 107 ont, dans la réalisation considérée ici, une structure identique ou analogue, sans nécessairement avoir la même surface, ce qui permet de qualifier cette structure de symétrique ou de pseudo-symétrique.
Selon une réalisation possible, pour former respectivement l'anode 106 et la cathode 107, on prévoit une structure constituée par un filtre en forme générale de cylindre creux avec des pores de 25 x 10"6 m (25 micromètres). Vers l'extérieur et vers l'intérieur de cette structure, de la laine d'acier présentant un faible rayon de courbure R de 9 x 10"6 m (9 micromètres) est moyennement tassée - avec un taux de porosité supérieur à 70 %, la longueur L totale de chaque électrode en laine d'acier étant de 10 x 103 m (10 kilomètres).
Les essais réalisés ont montré qu'il était possible avec un tel dispositif d'électrolyse 101 de dissocier la molécule d'eau de l'électrolyte, à partir d'eau de ville très légèrement ionisé, à une tension de l'ordre de 0,8 à 1 V (0,8 à 1 Volt), avec un rendement de production d'hydrogène mesuré à 88%, l'hydrogène recueilli étant pur et ne contenant ni gaz carbonique ni vapeur d'eau, le dispositif fonctionnant à température ambiante.
Les essais réalisés ont montré que le rendement pouvait être porté à 97% en utilisant comme électrolyte de l'eau salée, le système étant alors dépourvu de l'aimant 113. Le dispositif d'électrolyse 101 qui vient d'être décrit est donc remarquable par son rendement élevé.
Ce rendement élevé semble devoir s'expliquer par une série de facteurs. En premier lieu, un effet ici dénommé « effet couronne », résultant de la combinaison d'une anode 106 et d'une cathode 107 réalisées à partir d'un moyen conducteur de l'électricité (fibres ou filaments de laine d'acier) allongé de longueur L égale à 1 x 103 m (10 kilomètres) et de très faible rayon de courbure R, inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres), tels que le rapport L/R est supérieur à 106 (1 ,1 x 109 dans ce cas) et d'un espace inter-électrodes 1 11 de faible épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 1 millimètre), de sorte que le champ électrique autour d'une électrode, à l'échelle de nanométrique à millimétrique, est augmenté de façon significative, en étant apte à être vu par l'autre électrode.
En deuxième lieu, la structure de l'anode 106 et de la cathode 107 est telle que leur surface interfaciale est élevée, ce qui contribue à son tour à augmenter l'efficacité du système.
II convient de souligner que la laine d'acier n'est pas inerte au milieu fonctionnel constitué par l'eau de ville (eau du robinet). Elle est rapidement détruite pendant le fonctionnement électrochimique du réacteur. Des essais complémentaires ont donc été réalisés avec des matériaux considérés normalement comme relativement inertes, tels que le nickel. Il est très rapidement apparu une décomposition des électrodes en nickel à l'anode comme à la cathode et l'apparition d'un composé oxydé de nickel sous forme d'une poudre de dimension micrométrique.
La réalisation d'un électrolyseur comprenant une cathode en tissu de nickel pur et une anode en or a également abouti à la décomposition des deux électrodes, la cathode en nickel présentant un aspect de poudre noire alors que l'anode en or s'est fragmentée en microparticules d'or.
Dans cette série d'essais, la force de I' "effet couronne", effet électrostatique dû au champ électrique augmenté, a ainsi été supérieure à l'inertie du matériau vis-à-vis de l'électrolyse.
Des expérimentations complémentaires ont également montré l'absence de création d'une couche de passivation pour des électrodes en zinc et en aluminium, et la création dans le premier cas d'une poudre d'oxyde de zinc, dans le second cas d'une poudre d'un oxyde ou hydroxyde d'aluminium, dont le diamètre dépend directement de l'intensité du courant appliqué aux bornes de l'électrolyseur. Pour des basses intensités, des mesures de dimension des poudres ont indiqué l'existence d'une population dont le diamètre est sub- micrométrique. D'autres essais ont été réalisés à partir d'une réalisation alternative d'électrolyseur. Selon cette réalisation, l'on a utilisé un milieu fonctionnel composé de silicate de sodium et d'hydroxyde de sodium puis des mesures ont également été réalisées afin de montrer l'influence directe du rayon de courbure et du rapport L/D d'une électrode filamentaire.
Un électrolyseur élémentaire a été réalisé dans une géométrie cylindrique, sans aucune paroi de séparation entre le compartiment anodique et le compartiment cathodique (filtre ou membrane). La surface en regard de chaque électrode a été fixée à 30 cm2, la tension électrique a été fixée à 2,5 V, l'écartement entre les électrodes a été fixé à 5 10"3 m (5 millimètres) l'électrolyte étant composé de silicate de sodium à 20 % en masse et d'hydroxyde de sodium à 20% en masse dans de l'eau déminéralisée, cet électrolyte permettant d'obtenir une forte conductivité tout en garantissant la stabilité des électrodes, même dans le cas de l'acier.
Ces paramètres (en particulier l'espacement inter-électrodes maximal de 5 millimètres) ont été délibérément choisis pour garantir d'une part la reproductibilité des expériences, d'autre part pour permettre de mesurer les écarts importants sur les rendements de production d'hydrogène. En effet, la réduction de l'espace inter-électrode aurait conduit à avoir des rendements supérieurs pour l'ensemble des structures d'électrodes, mais les écarts entre ces rendements auraient été plus faibles donc plus difficiles à mesurer et interpréter. L'ensemble de ces paramètres étant constant, la variation a porté sur la structure de l'électrode et, en particulier, sur le rayon de courbure et la longueur totale de filament. Les marges d'erreur sur les mesures de rendement de production d'hydrogène sont de 3 %. Les expérimentations ont été menées pendant plusieurs centaines d'heures. L'ensemble de ces résultats est reporté dans le tableau ci-dessous :
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000014_0001
Le rendement mesuré est le rapport de l'énergie contenue dans l'hydrogène produit sur l'énergie apportée par l'alimentation électrique.
Ainsi, il a été obtenu un rendement de 34 % avec des électrodes constituées de plaques d'acier (pas de rayon de courbure, rapport L/R égal à 1 ).
Un rendement identique de 34 % (dans la marge d'erreur) a également été mesuré en utilisant un filament d'acier de diamètre 1 mm (rapport L/R de 2000 environ).
En utilisant un tissu de nickel dont les filaments ont un diamètre de 55 x 10"6 m (55 micromètres), le rendement a été mesuré à 47 % (rapport L/R d'environ 2 000 000). Avec une laine d'acier de 18 x 10"6 m (18 micromètres) de diamètre, le rendement s'est avéré être de 51 % (rapport L/R d'environ 200 000 000).
Le graphique de la figure 1 ' représente l'évolution du rendement en pourcentage (ordonnée) pour l'ensemble des expériences réalisées, en fonction du rapport de la longueur du filament sur son rayon (abscisse).
Une dernière expérimentation a été réalisée avec une cellule d'électrolyse destinée à la production d'hydrogène, composée d'une cathode réalisée à partir d'un tissu de nickel, d'une anode en tissu d'acier inox, les deux électrodes ayant une surface en regard de 1 dm2 (1 décimètre carré) et étant espacée l'une de l'autre de 5 mm (5 millimètres). L'électrolyte était composé de 30 % d'hydroxyde de potassium et de 20 % de silicate de potassium dans de l'eau déminéralisée. Le rendement mesuré, à température et pression ambiante, pour une tension de 1 ,9 V dans ces conditions non optimales s'est avéré être de 88 %. Ce type de dispositif dont les coûts de fabrication et d'exploitation sont très bas permet d'envisager une exploitation commerciale.
Au lieu d'un dispositif d'électrolyse, le système de conversion d'énergie peut également, toujours avec une première électrode et une seconde électrode ayant une structure symétrique ou pseudo-symétrique, permettre de réaliser un générateur électrique. Le dispositif est structurellement identique ou analogue au dispositif d'électrolyse. Dans ce cas, on injecte par la partie inférieure du dispositif de l'hydrogène dans le compartiment anodique et de l'air dans le compartiment cathodique, sous forme de microbulles. Une réaction inverse à l'électrolyse permet de générer du courant électrique. Un tel dispositif permet une réaction réversible : électrolyse ou génération d'un courant électrique.
D'autres dispositifs avec une structure symétrique ou pseudo-symétrique des électrodes sont envisageables, tels que dispositif de photolyse, dispositif d'électro-synthèse, pile à combustible, accumulateur électrique, générateur d'ozone, électrodialyseur.
La réalisation de la figure 3 est maintenant décrite en détail.
Au lieu que la structure des électrodes soit symétrique ou pseudo-symétrique comme dans les réalisations précédentes, elle peut être asymétrique, comme dans le cas d'un condensateur 301 correspondant à la réalisation de la figure 3.
Comme précédemment, le condensateur 301 comprend une enceinte creuse extérieure 303, ici de forme cylindrique et d'axe 302.
L'enceinte creuse extérieure 303 renferme une première électrode 306 et une seconde électrode 307.
La première électrode 306 est réalisée à partir d'un fil de cuivre d'une longueur de 1 x 103 m (1 kilomètre) et d'un diamètre (2 x R) de 50 x 10"6 m (50 micromètres), bouclé sur lui-même, disposé sur la face extérieure d'un support cylindrique, lui-même placé dans l'enceinte creuse extérieure 303.
La seconde électrode 307 est un électrolyte placé dans l'espace existant entre un diélectrique 31 1 en forme de couche revêtissent extérieurement le fil conducteur de la première électrode 306 et l'enceinte creuse extérieure 303. Le diélectrique 311 vient ainsi remplir l'espace entre les électrodes 306 et 307. Le diélectrique 311 est ici constitué par du polyuréthane. Des connecteurs électriques 316 et 317 sont reliés d'une part au fil conducteur de l'électricité de la première électrode 306 et à l'électrolyte formant la seconde électrode 307.
Avec la constante diélectrique du polyuréthane de l'ordre de 2, la capacité théorique calculée du condensateur 301 est de 3 μF (3 microfarads). Avec le choix d'une solution aqueuse saturée de NaCI, la capacité est tout d'abord de 25 μF (25 microfarads), puis augmente jusqu'à atteindre 120 μF (120 microfarads) et ensuite se stabilise.
Bien entendu, ces valeurs de capacité sont données de façon purement indicative. La première électrode 306 est d'un type analogue à l'anodes 106 et 206 précédemment décrites, alors que la seconde électrode 307, ici un électrolyte, présente une structure différente tant de la première électrode 306 que de la cathode 107 précédemment décrites, ce qui justifie de qualifier la structure des électrodes du condensateur 301 d'asymétrique. Selon une variante, on utilise pour la réalisation de la première électrode 306 non un fil de cuivre émaillé, mais un fil d'aluminium d'un diamètre (2 x R) de 40 x 10"6 m (40 micromètres) et d'une longueur de 600 m (600 mètres) environ.
On crée sur le fil d'aluminium une couche d'oxydation dépendant de la tension de service maximale souhaitée, par exemple de 15O x 10"9 m (150 nanomètres), pour une tension de 100 V (100 Volts).
La surface de l'électrode ainsi réalisée est de l'ordre de 145 x 10"4 m2 (145 centimètres carrés). La capacité théorique d'un tel condensateur est de 9 μF (9 microfarads), mais sa capacité réelle compte tenu de l'effet d'augmentation « couronne » est supérieure.
D'autres dispositifs peuvent être envisagés à partir d'une structure asymétrique d'électrodes, telles qu'une lampe à décharge, un générateur photovoltaïque, une cellule solaire à conducteur photo-actif. Dans tous les cas, ces dispositifs reposent sur des systèmes de conversion de l'énergie comprenant une première électrode (106, 306), une seconde électrode (107, 307) et, entre elles, un espace inter-électrodes (1 11 , 31 1 ) comprenant un milieu fonctionnel. L'une des électrodes - en l'espèce la première électrode ou anode - dans le cas d'une structure asymétrique, ou les deux électrodes, dans le cas d'une structure symétrique ou pseudo-symétrique, est réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité, lequel est allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R, agencé selon une structure d'ensemble solide, à consistance plus ou moins aérée, apte à être en tous endroits au même potentiel électrique et constituer ainsi la dite première électrode ou les dites première électrode et seconde électrode.
Selon l'invention, le rayon de courbure R est inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) et la lloonngguueeuurr LL eesstt tteellllee qquuee llee rraappppoort L/R est supérieur à 106 (un million), préférentiellement supérieur à 2,5 x 107 (25 millions).
En combinaison, l'espace inter-électrodes (1 11 , 31 1 ) est d'une épaisseur (distance entre les deux électrodes) comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres). Ainsi, on crée un effet d'augmentation significative du champ électrique apte à être vu par l'électrode opposée.
Le moyen conducteur de l'électricité de la ou des électrodes considérées peut faire l'objet de différentes variantes de réalisations.
Dans une première réalisation, le moyen conducteur de l'électricité est constitué d'un conducteur électrique.
Dans une seconde réalisation, le moyen conducteur de l'électricité comprend une structure interne électriquement isolante recouverte d'une structure externe conductrice de l'électricité. Une telle structure externe est typiquement en forme de couche.
Comme cela résulte de la description qui précède, le moyen conducteur de l'électricité comporte au moins un matériau choisi pour être adapté au milieu fonctionnel pour l'application envisagée (électrolyse, photolyse, production de poudres). Par exemple, et sans que cette liste soit limitative, il peut s'agir de carbone, de graphite, de nickel ou d'un alliage comprenant du nickel, d'acier inoxydable ou d'un matériau photosensible. Le plus souvent, le moyen conducteur n'est pas apte, en soi, à présenter la tenue mécanique d'ensemble nécessaire. Aussi, il est prévu, dans une réalisation, que le moyen conducteur de l'électricité comprenne une partie de résistance mécanique et une partie conductrice de l'électricité. Dans une autre réalisation, le moyen conducteur de l'électricité est porté par un moyen distinct de résistance mécanique 400, tel qu'une plaque, une bande, une bobine...
Dans les réalisations précédemment décrites, le moyen conducteur de l'électricité est en forme de filament ou de fibre 401 , comme il est d'ailleurs représenté sur les figures 3 et 4. Cette forme de réalisation n'est pas exclusive d'autres, par exemple une forme de pointe 402, comme il est représenté sur la figure 5. De telles pointes 402 peuvent saillir d'un moyen de résistance mécanique 400, tel qu'une plaque.
On se réfère maintenant plus spécialement aux figures 3 à 5 qui illustrent la structure d'ensemble du moyen conducteur de l'électricité.
Dans la réalisation illustrée par la figure 3, la structure d'ensemble du moyen conducteur de l'électricité est non organisée, en vrac.
Dans les réalisations illustrées par les figures 4 et 5, la structure d'ensemble du moyen conducteur de l'électricité est organisée. Elle est une sorte de tissu (figure 4), ou une bobine plate ou encore un réseau de pointes (figure 5).
Selon les besoins, le moyen conducteur de l'électricité est bouclé sur lui-même en circuit fermé ou non bouclé, étant alors en circuit ouvert. Dans tous les cas, le conducteur est en tous endroits au même potentiel électrique.
Comme cela résulte de la description qui précède, l'invention peut aussi être vue comme l'application d'un moyen conducteur tel qu'il vient d'être décrit à la constitution au moins d'une, et possiblement des deux, électrodes (106, 107, 306) d'un système de conversion de l'énergie, procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique.
Cette caractéristique combinée à un espace inter-électrodes (11 1 , 311 ) d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres) est telle que cet effet d'augmentation significative du champ électrique est apte à être vu par l'électrode opposée. C'est ainsi que l'on peut disposer d'un système de conversion de l'énergie, du type comportant une première électrode, une seconde électrode et un espace inter-électrodes comprenant un milieu fonctionnel tel qu'un électrolyte ou un diélectrique, optimisé de manière à procurer un rendement élevé à un coût de fabrication à l'échelle industrielle et à un coût d'exploitation raisonnables permettant une exploitation commerciale.
Une réalisation additionnelle de l'invention (non représentée) est décrite, ci-dessous, à titre d'exemple non limitatif. Selon cette réalisation, le système de conversion de l'énergie comprend une première électrode réalisée à partir d'un fil d'acier conducteur, allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure égal à 45 x 10"6 m (45 micromètres).
Le système de conversion de l'énergie comporte en outre, une seconde électrode et, entre elles, un espace inter-électrodes de 1 ,5 centimètres comprenant un milieu fonctionnel composé de silicate de sodium à 20 % en masse et d'hydroxyde de sodium à 10% en masse dans de l'eau déminéralisée.
En outre, selon cette réalisation, le rapport L/R est égale à 5 x 106 (5 millions) ce qui permet d'obtenir, à l'échelle de nanométrique à millimétrique, un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de conversion de l'énergie comprenant une première électrode (106, 306), une seconde électrode (107, 307) et, entre elles, un espace inter-électrodes (1 11 , 311 ) comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode (106, 306) étant réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité, allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R, agencé selon une structure d'ensemble solide, à consistance plus ou moins aérée, apte à être en tous endroits au même potentiel électrique et constituer ainsi la dite première électrode (106, 306),
caractérisé en ce que :
- R est inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres),
- l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres),
- la longueur totale L du au moins un moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre), et
- le rapport L/R est supérieur à 106 (un million) de sorte que la première électrode (106, 306) procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode (107, 307).
2. Système de conversion de l'énergie selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est constitué d'un conducteur électrique ou comprend une structure interne électriquement isolante recouverte d'une structure externe conductrice de l'électricité.
3. Système de conversion de l'énergie selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la structure externe est en forme de couche.
4. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est réalisé en, ou comporte, au moins un matériau choisi dans le groupe comprenant le carbone, le graphite, le nickel ou un alliage comprenant du nickel, les aciers et les alliages comprenant du fer.
5. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106,
306) est autoportant ou non autoportant, la première électrode comprenant une partie de résistance mécanique (400).
6. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est en forme de filament, ou de fibre, ou de pointe.
7. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la structure d'ensemble du moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est une structure en vrac non organisée ou une structure organisée, notamment en forme de nappe, ou de plaque, ou de bande, ou de bobine.
8. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est bouclé sur lui-même en circuit fermé.
9. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le moyen conducteur de l'électricité de la première électrode (106, 306) est non bouclé sur lui-même en circuit ouvert.
10. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par une première électrode (106) et une seconde électrode (107) ayant une structure symétrique ou pseudo-symétrique.
1 1. Système de conversion de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par une première électrode (306) et une seconde électrode (307) ayant une structure asymétrique.
12. Dispositif de conversion de l'énergie incluant un système de conversion de l'énergie selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste en un dispositif d'électrolyse, de photolyse, d'électro-synthèse, de générateur électrique par électrolyse inverse, de pile à combustible, d'accumulateur électrique, de générateur d'ozone, d'électrodialyse.
13. Dispositif de conversion de l'énergie incluant un système de conversion de l'énergie selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce qu'il consiste en un dispositif tel que condensateur, lampe à décharge, générateur photovoltaïque, cellule solaire à conducteur photo-actif.
14. Application d'un moyen conducteur de l'électricité allongé de longueur L supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre) et de rayon de courbure R inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) tel que le rapport L/R est supérieur à 106 (un million), à la constitution d'une première électrode (106, 306) d'un système de conversion de l'énergie comprenant en outre une seconde électrode (107, 307) et un espace inter-électrodes (1 11 , 311 ) comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique.
15. Application d'un moyen conducteur de l'électricité allongé de longueur L supérieure à 1 x 103 m (1 kilomètre) et de rayon de courbure R inférieur à 40 x 10"6 m (40 micromètres) tel que le rapport L/R est supérieur à 106 (un million), à la constitution d'une première électrode (106, 306) d'un système de conversion de l'énergie comprenant en outre une seconde électrode (107, 307) et un espace inter-électrodes (1 11 , 311 ) comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode procurant à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode, l'espace inter-électrodes étant d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 5 x 10"3 m (1 nanomètre et 5 millimètres).
16. Application du système de conversion d'énergie selon l'une des revendications 1 à 1 1 pour la réalisation de poudres nanométriques à micrométriques.
17. Système de conversion de l'énergie comprenant une première électrode (106, 306), une seconde électrode (107, 307) et, entre elles, un espace inter-électrodes (1 11 , 311 ) comprenant un milieu fonctionnel, la première électrode (106, 306) étant réalisée à partir d'au moins un moyen conducteur de l'électricité, allongé et de longueur totale L, à section incurvée et de rayon de courbure R, agencé selon une structure d'ensemble solide, à consistance plus ou moins aérée, apte à être en tous endroits au même potentiel électrique et constituer ainsi la dite première électrode (106, 306),
caractérisé en ce que :
- R est inférieur à 50 x 10"6 m (50 micromètres),
- l'espace inter-électrodes est d'une épaisseur comprise entre 1 x 10"9 m et 2 x 10"2 m (1 nanomètre et 2 centimètres), et
- le rapport L/R est supérieur à 3 x 106 (trois millions) de sorte que la première électrode (106, 306) procure à l'échelle de nanométrique à millimétrique un effet d'augmentation significative du champ électrique vu par la seconde électrode (107, 307).
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