EP2349920A1 - Dispositif de production d'hydrogene a partir d'un plasma a la resonance cyclotron electronique - Google Patents
Dispositif de production d'hydrogene a partir d'un plasma a la resonance cyclotron electroniqueInfo
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- EP2349920A1 EP2349920A1 EP09753153A EP09753153A EP2349920A1 EP 2349920 A1 EP2349920 A1 EP 2349920A1 EP 09753153 A EP09753153 A EP 09753153A EP 09753153 A EP09753153 A EP 09753153A EP 2349920 A1 EP2349920 A1 EP 2349920A1
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Definitions
- the present invention relates to a device for producing hydrogen from an electron cyclotron resonance plasma.
- Hydrogen (H 2 ) appears today as a very interesting energy vector, which is expected to become increasingly important and which could, in the long term, be a good substitute for oil and fossil fuels, whose reserves will decline sharply in the coming decades. In this perspective, it is necessary to develop efficient processes for the production of hydrogen.
- a first technique is to use steam reforming. This is a technique for converting light hydrocarbons such as methane into synthesis gas by reaction with water vapor on a catalyst.
- the two main chemical reactions of this method are the production of synthesis gas and the conversion of CO: CH 4 + H 2 O ⁇ co + 3H 2 co + H 2 O ⁇ co 2 + H 2 the overall balance being CH 4 + 2H 2 O ⁇ CO 2 + 4H 2
- a second method is to use a partial oxidation technique: it is an exothermic technique and generally without oxidation catalyst of products such as natural gas, heavy oil residues, coal.
- the production of synthesis gas is given by the reaction:
- this technique produces a significant amount of carbon dioxide. It may also be mentioned a third technique using the direct thermal decomposition of water; such a technique would require extremely high temperatures of the order of 3000 to 4000 K (the use of a catalyst makes it possible to reduce this temperature, which nevertheless remains very high, close to 1400 K).
- This production technique is envisaged by using high temperature nuclear reactors cooled by a gaseous coolant such as helium (in the case of so-called fourth generation reactors of the HTR "High Temperature Reactor" type). By its principle, it is a technique that is related to the production of uranium. The other disadvantage is that it is unthinkable to use this method for small productions of hydrogen.
- a fourth way is to perform an electrolysis of water: it is a technique of dissociation of water by passage of an electric current according to the reaction:
- an electrolyte cell consists of two electrodes , anode and a cathode, connected to a direct current generator The electrodes are immersed in an electrolyte serving as a conducting medium
- This electrolyte is generally an acidic or basic aqueous solution, a proton exchange membrane (H + ) or an oxygen ion conducting membrane (O 2 " ).
- thermochemical cycle this process uses a series of chemical reactions.
- An example is the use of the iodine-sulfur cycle based on the decomposition of two acids at high temperature: sulfuric acid produces oxygen and sulfur dioxide, and hydrogen iodide produces hydrogen and iodine.
- a sixth way considered is biomass: obtained by photosynthesis of carbon dioxide and water, it uses solar energy to produce molecules of the type C 6 H 9 O 4 . Thereafter there is a thermochemical treatment according to the reaction: C 6 9 9 O 4 + 2H 2 O + SSOkJ ⁇ 6CO + 1 HH 2
- a seventh technique involves the photo-electrolysis of water: it is a process that uses the dissociation of the water molecule by an electric current produced by the illumination of a semiconductor photocatalyst (TiO 2 , AsGa).
- This process does not produce greenhouse gas gas but has a relatively low conversion efficiency.
- Another method of producing hydrogen gas by microwave plasma is proposed in document WO2006 / 123883.
- This method uses the dissociation of gaseous molecules by electronic impact.
- the disclosed method consists in injecting a microwave power into a dielectric tube containing a gas or a vapor of the H 2 O or CH 4 type. under reduced pressure (50-300 torr). This microwave power causes ionization and / or dissociation of the gas thus releasing hydrogen (initiation of a microwave plasma).
- a separator in a palladium material separates the hydrogen by gaseous diffusion.
- the disclosed method consists in placing the water molecules in an electromagnetic field to excite the molecules by thermal agitation until their excitation energy exceeds the binding energy of the H and O atoms composing the molecule. water.
- the present invention aims to provide a device for producing hydrogen from water with an electron cyclotron resonance plasma that does not necessarily require fields. magnets and allowing efficient dissociation of water molecules and simple separation of the products formed.
- the invention proposes a device for producing hydrogen from an electron cyclotron resonance plasma comprising: a vacuum sealed chamber intended to contain a plasma,
- a magnetic structure for generating a magnetic field in said chamber and generating a plasma layer along the magnetic field lines; the module of said field; magnetic sensor having a magnetic mirror configuration with at least one electron cyclotron resonance zone for at least partially dissociating the water molecules introduced in the vapor phase and for at least partially ionizing the products of the dissociation, said device being characterized in that it comprises :
- At least one cryogenic condenser placed in said sealed chamber, for freezing the oxygen resulting from the dissociation without freezing the hydrogen resulting from the dissociation
- Vacuum chamber means a chamber in which a working pressure of less than or equal to 5.10 "3 mbar prevails, said working pressure corresponding substantially to the partial pressure of water vapor injected into the chamber.
- the device according to the invention is based on the combined use of a cyclotron resonance plasma of electrons and at least one selective cryogenic condenser.
- This non-CO 2 emitting device does not use electrodes, membranes or high temperatures. Thanks to the electron cyclotron resonance principle, at each passage in the vicinity of the resonance zone, the electrons will acquire energy. They will then be able to dissociate the water molecules, then ionize, at least partially, the dissociation products. Thanks to the electroneutrality of the plasma, these ions will follow the electrons on the magnetic field lines.
- the device according to the invention makes it possible to work continuously for several months without interruption or maintenance.
- the device may, depending on its size, have a plasma volume ranging from a few cm 3 to several liters, or even m 3 .
- the condenser temperature depends on partial hydrogen pressures from the initial density of the plasma which is itself a function of the microwave frequency injected. Oxygen being trapped, then hydrogen recovery means such as a conventional pumping system (turbomolecular pump for example) for pumping hydrogen are used. It is also possible to advantageously use the fact that the ionized particles follow, by electroneutrality of the plasma, the electrons which are guided by the magnetic field lines. Indeed, if the oxygen cryocondensation plates are placed in the magnetic field lines, it is then advantageous to place hydrogen cryocondensation plates outside the magnetic field lines. Thus, hydrogen and oxygen are fixed on cold walls inde- while it is sufficient to heat independently of each other to separately recover hydrogen and oxygen either in liquid form or in gaseous form.
- the device according to the invention does not use a method of thermal agitation of the water molecules, but breaks the atomic bonds by collisions with the electrons of the plasma.
- said chamber comprises non-dissociated water recovery means, the field lines generated by said magnetic structure being curved with respect to the steam injection axis.
- said non-dissociated water recovery means being substantially arranged along the injection axis of the water vapor.
- This advantageous embodiment makes it possible to solve the problem of the recovery of non-dissociated water molecules by the electrons of the plasma. Indeed, ionization and dissociation of water molecules is never complete; therefore, a significant amount of water molecules remains present. It is obviously interesting to recover these non-dissociated water molecules, for example to recycle them back into the chamber as a vapor. If the magnetic field lines were not curved, there would be no possibility to recycle the undissociated water. Indeed, non-dissociated water molecules are not guided by the magnetic field lines and preferentially in a straight line with respect to the steam injection nozzle. In other words, in a simple mirror axisymmetric, should be recovered in the same place and at the same time undissociated water and hydrogen and dissociated oxygen, which is difficult to achieve.
- the magnetic field lines are bent in such a way that it is then possible to carry out at the same time the recycling operations of the undissociated water, the separation of the hydrogen and the oxygen, hydrogen recovery and oxygen recovery.
- the curved magnetic field lines thus make it possible to recover non-dissociated or ionized water vapor, by example on a condenser placed in a straight line with respect to the injection of steam.
- the device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
- said means for recovering non-dissociated water comprise a second chamber connected to said plasma chamber;
- said second chamber is of tubular form
- said means for recovering non-dissociated water are formed by a condenser
- said means for recovering non-dissociated water are separated from said plasma chamber by a diaphragm device
- the device according to the invention comprises at least one non-dissociated water reinjection system in the vapor phase and issuing from said non-dissociated water recovery means;
- the device according to the invention comprises a grid having a mailing for stopping the propagation of high frequency waves so that said non-dissociated water recovery means are arranged in a zone without microwaves so substantially without plasma;
- said cryogenic condenser for freezing the oxygen resulting from the dissociation without freezing the hydrogen resulting from the dissociation is at a temperature of between 6 and 41 K for an average pressure of between 10 -3 mbar and 5 ⁇ 10 -3 mbar in said chamber (temperature between 6 and 39 K for a pressure substantially equal to 10 "3 mbar and temperature between 6 and 41 K for a pressure substantially equal to 5X10 " 3 mbar);
- said cryogenic condenser for freezing oxygen is a solid or perforated cryogenic panel; said cryogenic condenser for freezing oxygen is arranged to intercept said field lines formed by said magnetic structure; said cryogenic condenser for freezing oxygen is a cryogenic panel which surrounds said field lines formed by said magnetic structure;
- the device according to the invention comprises an enclosure capable of recovering oxygen when said cryogenic condenser for freezing oxygen is regenerated by raising the temperature;
- said means for recovering the hydrogen resulting from the dissociation comprise a pump for pumping hydrogen in the gas phase; said means for recovering hydrogen from the dissociation comprise at least one cryogenic condenser for freezing hydrogen, said cryogenic condenser being at a temperature below the temperature of said at least one cryogenic condenser for freezing oxygen, said at least one at least one cryogenic oxygen freezing condenser is arranged to trap oxygen before said at least one cryogenic condenser for freezing hydrogen traps hydrogen.
- the device according to the invention comprises:
- the device according to the invention comprises: a first enclosure including:
- a first cryogenic condenser for freezing hydrogen a second enclosure including:
- each of said first and second chambers being capable of recovering oxygen and hydrogen independently of one another by regeneration, said regeneration being done by gradually raising the temperature so that the hydrogen first goes into the gas phase and is recovered and the oxygen then goes into the gas phase and is recovered.
- said at least one cryogenic condenser for freezing hydrogen comprises at least one solid or perforated cryogenic panel;
- the device according to the invention comprises a negatively polarized grid placed forward with respect to the plasma, of said at least one cryogenic condenser for freezing hydrogen and / or of said at least one cryogenic condenser for freezing oxygen, so that said grid repels the electrons towards the plasma and attracts the ions;
- said at least one cryogenic condenser for freezing hydrogen and / or said at least one cryogenic condenser for freezing oxygen are capable of being negatively biased to repel electrons towards the plasma and attract the ions;
- said means for recovering the hydrogen resulting from the dissociation are arranged so as not to intercept said magnetic field lines;
- the device according to the invention comprises at least one catalyst surface for fixing the water molecules and increasing the dissociation efficiency of the water by electronic impacts of the plasma on said surface;
- said catalyst surface is placed in the magnetic mirror zone, preferably between the resonance zones.
- said magnetic structure comprises permanent magnets
- the magnetic structure comprises permanent magnets whose poles which face each other in the zone of injection of the water vapor are of the same nature North-North or South-South;
- the magnetic structure comprises permanent magnets whose poles face each other, in the hydrogen recovery zone are of the same meaning, the magnetization values of these magnets being either identical or different;
- the magnetic structure comprises permanent magnets whose poles which face each other in the hydrogen recovery zone are of opposite direction;
- the permanent magnet situated in the zone of injection of the water vapor is of the same polarity as the magnet located in the zone of recovery of the hydrogen;
- the magnetic structure comprises permanent magnets of different sizes and having either the same magnetization or different magnetizations
- the magnetic structure comprises coils at ambient temperature and / or superconducting coils at low or high critical temperature, called low or high Tc;
- the input window of said means for propagating a high-frequency wave inside said chamber is placed in a magnetic field whose module is greater than the modulus of the resonance magnetic field so that the plasma diffuses towards the chamber and thus avoid impacts of the plasma on said window;
- the mirror ratio between the magnetic field maxima of said magnetic mirror and the magnetic field minimum of said magnetic mirror is strictly greater than 1 and preferably greater than 3 which represents an optimum value to allow good confinement of the plasma.
- FIG. 1 is a representation of the phase diagram of the water
- FIG. 2 is a representation of the phase diagrams of hydrogen and oxygen with the corresponding values at the triple point of each element;
- FIG. 3 shows a top view of a first embodiment of the device according to the invention
- - Figure 4 shows a top view of a second embodiment of the device according to the invention
- FIG. 5 shows a top view of a third embodiment of the device according to the invention
- - Figure 6 shows a top view of a fourth embodiment of the device according to the invention
- FIG. 7 shows a top view of a fifth embodiment of the device according to the invention.
- FIG. 8 shows a top view of a sixth embodiment of the device according to the invention.
- FIG. 9 shows a top view of a seventh embodiment of the device according to the invention.
- - Figure 10 shows a top view of an eighth embodiment of the device according to the invention
- - Figure 1 1 shows a top view of a ninth embodiment of the device according to the invention
- FIG. 12 shows a top view of a tenth embodiment of the device according to the invention.
- FIG. 3 is a simplified representation in plan view of a device 1 for producing electron cyclotron resonance hydrogen according to a first embodiment of the invention.
- the device 1 comprises:
- a non-dissociated water recovery pipe 9 serving as a water vapor condenser
- the chamber 2 is under vacuum, the vacuum being effected by means of pumping ad hoc.
- a residual vacuum of 10 "4 mbar minimum is necessary. However, it can lower the vacuum more (typically up to 10" 5 mbar) for even less impurities in the chamber 2.
- the working pressure of the chamber 2 is typically less than or equal to 5.10 "3 mbar, this pressure being related to the partial pressure of water vapor injected into the chamber 2.
- the magnetic structure formed by the four bars 3, 4, 5 and 6 surrounding the chamber 2 produces inside the chamber 2 a magnetic field whose configuration is a magnetic mirror configuration having at least two maxima and a minimum magnetic field and at least one resonance zone (here a plurality of resonance zones represented by white dots 21 located on the field lines 12). It is a so-called minimum B structure: the electrons of the plasma are confined in a magnetic well. In a magnetized plasma device such as the device 1, the electrons are well confined, especially those which have a high velocity perpendicular to the magnetic field lines. When the microwaves are injected into the plasma, they tend to propagate through the plasma to the resonance zone.
- the transfer of energy from the microwave power injected to the electrons of the plasma occurs at a magnetic field location B r ⁇ S such that the electron cyclotron resonance condition is established, that is to say when there is equality between the pulsation of the high frequency wave ⁇ H F and the cyclotronic pulsation of the electron:
- An unrepresented microwave generator is placed outside the chamber 2; this generator injects high frequency (HF) waves in the chamber 2 via the aforementioned propagation means.
- the frequency range of microwaves can range from GHz to 100 GHz, the most common generator being the 2.45 GHz magnetron commonly used for domestic microwave ovens.
- power transistors for example, for example, it is also possible to use power transistors as an HF generator. Indeed, there are now field effect transistors capable of delivering about 60 W at 14.5 GHz.
- the steam injection means in the chamber 2 are preferably placed near the microwave generation means (however, another location may also be chosen for reasons of convenience).
- the water is introduced into the plasma chamber 2 in the vapor phase. A simple way to obtain this vapor phase is to put a water tank in depression to a few tens of mbar.
- the electrons will acquire energy. They will then be able to dissociate the water molecules, then at least partially ionize the dissociation products.
- the electrons wind the magnetic field lines thanks to Laplace's law; thanks to the electroneutrality of the plasma, these ions will then follow the electrons on the magnetic field lines 12.
- the input window of the high frequency waves In the case that concerns us, that is to say the production of hydrogen from water vapor, only the population of electrons having a few tens of eV is useful. At the working pressure considered, the energy distribution of the electrons ranges from a few eV to a few tens of eV, this distribution being sufficiently wide to reach the desired ionization objective.
- the input window of the high frequency waves In the case that concerns us, that is to say the production of hydrogen from water vapor, only the population of electrons having a few tens of eV is useful. At the working pressure considered, the energy distribution of the electrons ranges from a few eV to a few tens of eV, this distribution being sufficiently wide to reach the desired ionization objective.
- the input window of the high frequency waves In the case that concerns us, that is to say the production of hydrogen from water vapor, only the population of electrons having a few tens of eV is useful. At the working pressure considered, the energy
- the water vapor is injected substantially along the axis AA 'vertical in the plane of the sheet by the injection means.
- the orientation of the magnets 3, 4, 5 and 6 is such that, at the point where the water vapor and the microwaves (between the two magnets 4 and 5) are injected, two identical polarities face each other: thus the two magnets 4 and 5 have the same north polarity (of course, the invention also applies with the same polarity south).
- the opposite polarities are of opposite signs: thus, the magnet 3 has a north polarity and the magnet 6 a a south polarity.
- the polarities of the magnets located on the one hand on the side of the injection of water vapor (magnet 4 having a north polarity) and on the other hand on the hydrogen recovery side (magnet 6 having a south polarity), are of opposite signs.
- the magnetic field lines 12 are curved, thus making it possible to recover the non-dissociated or ionized water vapor on the water condenser 9 placed near the magnet 5, in a straight line with respect to the axis AA 'water vapor injection. If the magnetic field lines 12 were not curved, there would be no possibility to recycle the undissociated water.
- non-dissociated water molecules are not guided by the magnetic field lines and preferentially in a straight line with respect to the injection of water vapor.
- the undissociated water as well as the hydrogen and dissociated oxygen should be recovered in the same place and at the same time, which is difficult to achieve.
- the tubular water condenser 9 is placed directly in the chamber 2 in which there is a pressure of the order of 10.sup.- 3 mbar.
- Figure 2 which represents a phase diagram of the water, shows that at the pressure considered
- the non-dissociated condensate is always in the form of steam at temperatures above 200 K, which is the case in the plasma chamber 2.
- This condenser 9 is here a vertical pipe in which a pressure gradient of 10 ° is established. 3 mbar to 10 -2 mbar and 1 bar).
- the water which goes from the vapor form to the liquid form, flows along the vertical pipe 9 by gravity and is advantageously recycled via the recycling pump 10.
- the recycling pipe 9 is short, the pressure gradient in the tubing can remain low and the water can be fed back into the device 1 directly in the vapor phase.
- the ions created are guided along the field lines 12.
- the device 1 must separate the different products formed in order to extract the hydrogen.
- the phase diagrams of the hydrogen and oxygen elements for the low temperatures as represented in FIG. operating pressure of the chamber 2 considered being less than 5 ⁇ 10 -3 mbar, it is noted that for a temperature between 6K and 4OK (preferably between 5K and 30K), it is possible to cryopreset oxygen while keeping
- one or more cooled plates are inserted at the end of the plasma device 1 at a temperature such that the two elements composing the plasma (oxygen and hydrogen) are in different phases.
- the temperature is determined by calculating the hydrogen partial pressures from the initial plasma density which is correlated with the microwave frequency injected. The temperature is also determined to minimize the power consumption. cryo-refrigerator: it will be preferentially close to 3OK.
- the oxygen condenser 8 is a solid or open cryo-panel (or cryogenic panel) arranged at the end of the magnetic field lines 12.
- a condenser 7 with cold walls such as a cryo-solid or perforated panel is placed outside the magnetic field lines for cryocondensing hydrogen.
- hydrogen and oxygen are attached to independent cold walls (respectively the condenser 7 to recover the hydrogen and the condenser 8 to freeze the oxygen without freezing the hydrogen) that it will be sufficient to heat independently one of the another to separately recover hydrogen and oxygen either in liquid form or in gaseous form.
- the pump 13 for pumping hydrogen gas is located outside the field lines 12 near the end of the field lines 12
- the condenser 8 whose temperature is of the order of 20-30K traps the oxygen of the plasma. At this temperature, the hydrogen is not trapped, remains gaseous and can therefore be pumped via the pumping means 13.
- cryogenic condenser 8 two types of means for recovering hydrogen from the dissociation can be used interchangeably, the oxygen being trapped by said cryogenic condenser 8: a cryogenic condenser 7 and / or pumping means 13.
- each magnet has been calculated to obtain resonance zones in the plasma chamber, where the electrons take enough energy to dissociate the water molecules and at least partially ionize the dissociation products.
- the magnets are typically 5.4 cm wide and 6.5 cm long (this is an example embodiment, but of course there may be other combinations at a given frequency).
- the height is, in turn, defined by the skilled person according to the available space and its needs. It can go, indeed from a few centimeters to several meters.
- FIG. 4 is a variant of the previous figure (the means in common between the devices 1 and 20 have the same reference numbers and perform the same functions).
- the device 20 according to this second embodiment differs from the device 1 of FIG. 3 in that it comprises a non-dissociated water condenser 16, said condenser 16 being cooled, for example with liquid nitrogen (at 77K ) in order to fix the water in the form of ice (to save electrical energy, it is also possible to recycle liquid water at some 0 C).
- the condenser 16 is arranged near the magnet 5, in a straight line with respect to the axis AA 'of steam injection.
- a person skilled in the art will be able to carry out a heating cycle: without stopping the injection of the microwaves, but by stopping the external supply of water vapor, a progressive heating of the condenser will again create steam. water which can then be returned to the chamber 2 via recycling means 17: this water vapor can be dissociated and ionized.
- two water condensers may be installed in the enclosure so that a condenser will be heated at low temperature to trap the water, while the other will be in the warming phase to release water vapor .
- the device 20 comprises a separation chamber 14 to avoid sending water in the form of steam anywhere in the chamber 2 (and in particular on the walls).
- This separation chamber is particularly useful when the water vapor is not introduced into the plasma chamber 2 in the form of a directional jet.
- FIG. 5 is a simplified representation of a device 100 for producing electron cyclotron resonance hydrogen according to a third embodiment of the invention.
- the device 100 comprises:
- the chamber 102 is under vacuum, the vacuum being performed by means of pumping ad hoc.
- the magnetic structure formed by the four bars 103, 104, 105 and 106 surrounding the chamber 102 produces inside the chamber 102 a magnetic field whose configuration is a magnetic mirror configuration having at least two maxima and a minimum of field magnetic and at least one resonance zone (here a plurality of resonance zones represented by white points 21 located on the field lines 1 12).
- An unrepresented microwave generator is placed outside the chamber 102; this generator sends high frequency waves in the chamber 102 via the aforementioned propagation means.
- the means for injecting water vapor into the chamber 102 are preferably placed near the microwave generating means.
- the water is introduced into the plasma chamber 102 in vapor phase.
- the device 100 comprises a separation chamber 119 making it possible to avoid sending the water in the form of steam anywhere in the chamber 102 (and in particular on the walls). This separation chamber is particularly useful when the water vapor is not introduced into the plasma chamber 102 in the form of a directional jet.
- the condenser 1 16 of undissociated water is cooled, for example with liquid nitrogen (at 77K) so as to fix the water in the form of ice.
- the condenser 1 16 is arranged near the magnet 105, in a straight line with respect to the axis AA 'of steam injection. It is of course also possible to keep the water in liquid form with a condenser at a few ° C., the latter solution being more economical.
- the 4 bars of permanent magnets 103 (south polarity), 104 (north polarity), 105 (north polarity) and 106 (south polarity) are placed in such a way that poles with the same sign face each other.
- the magnetic inductions of all these magnets are equal in absolute value.
- the distance between the magnets 104 and 103 being shorter than the distance between the magnets 104 and 106, the magnetic field lines are from 104 to 103.
- the role of the magnets is to obtain magnetic field lines and to create NCE areas.
- the basic section of a magnet bar is close to 5.4 cm ⁇ 6.5 cm.
- the height can vary from a few centimeters to several meters.
- the water vapor is injected at the magnet 104 in the direction AA 'parallel to the magnetic field lines. It is the same for microwaves. In this way, the water vapor that is not used in the plasma goes directly to the condenser H 2 O 1 16 to be recycled via the recycling means 1 17.
- the curvature of the field lines makes it possible not to recover in the same area, undissociated water, hydrogen and oxygen. Because of the differences in the condensing temperature of these elements, there would be a build-up of ice which would greatly reduce the effectiveness of the system until the machine stops.
- the condenser 108 whose temperature is of the order of 20-30K traps oxygen plasma.
- This oxygen condenser 108 is for example a cryo-panel (or cryogenic panel) solid or perforated arranged at the end of the magnetic field lines 1 12. At this temperature, the hydrogen is not trapped, remains gaseous and can therefore be pumped via the pump means 120. It is then necessary to carry out regeneration cycles to evacuate the oxygen that accumulates over time on the cold wall of the condenser 108.
- the device 100 according to the invention consists of a version of the invention in which the magnetic field lines are strongly curved so that a central part with a quasi-flat field is obtained.
- This advantageous form allows a good separation of the undissociated water which rapidly leaves the plasma.
- Figure 5 also shows that the number of zones of resonances increases, which is advantageous for the process of dissociation of molecules and ionization of the formed atoms.
- the means 16 for recovering water should preferably not be in a dense plasma zone.
- the RF grid 1 18 whose mesh will be small in relation to the wavelength of the microwaves injected, allows to obtain a plasma only in the desired area.
- the mesh is chosen so as to prevent propagation of the microwaves while allowing the water molecules to pass.
- FIG. 6 is a variant of the previous figure (the means in common between the devices 100 and 200 have the same reference numbers and perform the same functions).
- the device 200 according to this fourth embodiment differs from the device 100 of FIG. 5 in that it comprises a cryogenic condenser system for trapping hydrogen.
- This system is here produced in the form of two cold walls 207 and 213, whose temperature is less than 5K, which trap the hydrogen.
- the cold-walled condenser 108 for trapping oxygen is located in the magnetic field lines 1 12 while cold walls 207 and 213 for trapping hydrogen are placed outside the magnetic field lines 1 12.
- the RF grid is not shown in FIG.
- FIG. 7 represents a top view of a fifth embodiment of a device 300 according to the invention.
- the device 300 is identical to the device 200 of FIG. 6 (the means in common between the devices 200 and 300 bear the same reference numbers and perform the same functions) and also comprises a catalyst surface 301 placed in the mirror zone. magnetic, preferably between the resonance zones.
- This catalyst surface is intended to increase the dissociation efficiency of the water and the ionization of the dissociated elements: it fixes the water molecules to increase the dissociation efficiency of the water by electron impacts of the plasma on this surface .
- the catalyst 301 is for example a surface based on TiO 2 .
- the device according to the invention designed to dissociate the water may advantageously be used, in a first step, for the surface treatment of the catalyst in order to increase its effectiveness: in this case In this case, an argon plasma will be used.
- This catalyst is placed close to the plasma so as to benefit from a surface treatment in a first phase of use of the machine. Then, the hydrophilic character of this catalyst will regulate the influx of water vapor in the machine.
- the device can operate either with an undissociated H 2 O recovery system, or with a catalyst, or with a combination of the two methods of regulating the amount of water in the device.
- FIG. 8 shows a top view of a sixth embodiment of a device 400 according to the invention.
- This device 400 differs from the device 200 of FIG. 6 in that it comprises:
- magnets 403, 404, 405 and 406 such that the magnetization of magnet 403 (south pole) is 0.7 times lower than the magnetization of magnet 406 (south pole) which itself has the same magnetization as magnets 404 and 405 (two north poles);
- a second cryogenic condenser system for trapping the hydrogen produced in the form of two cold walls 207 'and 213'.
- the field lines 212 are divided into two series 412 and 412 'of magnetic field lines so as to be able alternately to recover hydrogen and oxygen. two different places. For this, it is sufficient to reduce, in absolute value, the magnetization value of the magnet 403 with respect to the magnetization of the magnets 404, 405 and 406. By the magnetization values chosen, the field lines 412 and 412 'will go from the magnet 404 at which water vapor and microwaves are injected respectively to the magnets 406 and 403.
- the device 400 thus comprises two recovery chambers 407 and 408.
- the recovery chamber 408 comprises:
- the recovery chamber 407 comprises:
- the device 400 uses here an example of plasma with 3 branches: the injection of water vapor and microwaves is done in a branch, then the plasma is divided into two branches where are placed the recovery systems of hydrogen and oxygen.
- Figure 9 shows a top view of a seventh embodiment of a device 500 according to the invention.
- the device 500 comprises:
- the chamber 502 is under vacuum, the vacuum being carried out by means of pumping ad hoc.
- the magnetic structure formed by the six permanent magnets 503, 503 ', 504, 505, 506 and 506' surrounding the chamber 502 produces inside the chamber 502 a magnetic field whose configuration is a magnetic mirror configuration exhibiting at least two maxima and a minimum of magnetic field and at least one resonance zone (here a plurality of resonance zones represented by white dots 21 located on the field lines 512 and 512 ').
- the six permanent magnets 503, 503 ', 504, 505, 506 and 506' are such that the magnetization of the magnets 503 and 503 '(both having a south polarity) is 0.7 times lower than the magnetization of the magnets. magnets 504 and 505 (both having a north polarity) and magnets 506 and 506 '(both having a south polarity).
- the field lines divide into two series 512 and 512 'of magnetic field lines so as to recover the hydrogen and oxygen in two different places thanks to the cryogenic traps that we will detail later.
- the magnetization value of the magnets 503 and 503 'with respect to the magnetization of the magnets 505, 504, 506 and 506' are guided to the places where the condensers are placed. From the chosen magnetization values, the field lines 512 and 512 'will go from the magnet 504 at which the steam and the microwaves are injected to the magnets 506 and 506'.
- the first recovery chamber includes: two cold walls 507 and 513, whose temperature is less than 5K, which trap hydrogen;
- a cold-wall condenser 508 for trapping the located oxygen said condenser 508 intercepting the magnetic field line series 512, while the cold trays 507 and 513 for trapping the hydrogen are placed out of the series 512 of magnetic field lines.
- the second recovery chamber comprises:
- a cold-wall condenser 508 'for trapping the located oxygen said condenser 508' intercepting the series 512 'of magnetic field lines while the cold walls 507' and 513 'for trapping the hydrogen are placed out of the 512 'series of magnetic field lines.
- the electrons will acquire energy. They will then be able to dissociate the water molecules, and then at least partially ionize the dissociation products. Thanks to the electroneutrality of the plasma, these ions will follow the electrons on lines 512 and 512 'of magnetic field.
- the condenser 516 of undissociated water is cooled, for example with liquid nitrogen (at 77K) so as to fix the water in the form of ice (as already explained above, it is also possible and more economical to recover in liquid form at a few 0 C).
- the condenser 516 is arranged near the magnet 505, in a straight line with respect to the axis AA 'of steam injection.
- the water vapor is injected at the magnet 504 in the direction AA 'parallel to the magnetic field lines. It is the same for microwaves. In this way, the steam which is not used in the plasma goes directly to the condenser H 2 O 516 to be recycled through recycling means 517.
- the two recovery chambers may be alternately connected to the plasma chamber 502, for example via a not shown slide valve.
- the condensers located at the level of the first chamber separately capture the particles
- the second chamber is isolated from the plasma chamber 502 to regenerate successively the two condensers.
- FIG. 10 is a top view of an eighth embodiment of a device 600 according to the invention.
- the device 600 comprises: a sealed chamber 602 under vacuum;
- magnets 603, 603 ', 604, 605, 606 and 606' placed outside the chamber 602;
- the magnets 603 (south pole) and 606 (south pole) face each other on both sides of the chamber 602;
- magnets 604 (north pole) and 605 (north pole) face each other on both sides of chamber 602;
- the magnets 603 '(south pole) and 604' (south pole) face each other on both sides of the chamber 602;
- a pump 613 for pumping hydrogen gas located near the end of the field lines 612; a catalyst surface 614 placed in the magnetic mirror zone, preferably between the resonance zones
- the chamber 602 is under vacuum, the vacuum being carried out by means of pumping ad hoc (typically a residual vacuum of 0.1 Pa is sufficient).
- ad hoc typically a residual vacuum of 0.1 Pa is sufficient.
- 603 ', 604, 605, 606 and 606' surrounding the chamber 602 produces inside the chamber 602 a magnetic field whose configuration is a magnetic mirror configuration having at least two maxima and a minimum of magnetic field and at least a resonance zone (here a plurality of resonance zones represented by white dots 21 located on the field lines 612 and 612 ').
- the six permanent magnets 603, 603 ', 604, 605, 606 and 606' are such that they have the same magnetization and the same dimension.
- the field lines are divided into two series 612 and 612 'of magnetic field lines so as to recover the hydrogen and oxygen in two different places.
- the field lines 612 and 612 ' will go from the magnet 604 at which the water vapor and the microwaves are injected to the magnets 603 and 603' (the lines go from north to the south by the shortest path since all the magnets have the same induction).
- the electrons will acquire energy. They will then be able to dissociate the water molecules, then ionize the dissociation products. Thanks to the electroneutrality of the plasma, these ions will follow the electrons on lines 612 and 612 'of magnetic field.
- the hydrogen is recovered in two different ways:
- the condenser 608 whose temperature is of the order of 20-30K traps the oxygen of the plasma.
- the hydrogen is not trapped, remains gaseous and can therefore be pumped via the pumping means 613.
- the two cold-walled condensers 609 and 610 (at a temperature below 5K and different from the condenser temperature 608 ') are placed outside magnetic field lines for cryocondensing hydrogen.
- the device 600 does not comprise an undissociated water condenser but additionally comprises a catalyst surface 614 placed in the central magnetic mirror zone, preferably between the resonance zones and arranged in a straight line with respect to the AA axis. 'injection of water vapor.
- This catalyst surface is intended to increase the dissolving efficiency of the water and the ionization of the dissociated elements: it fixes the water molecules to increase the dissociation efficiency of the water by electronic impacts of the plasma on this surface. It can therefore be assumed that the majority of the water vapor will be dissociated and that an undissociated water recovery condenser is not necessary; the presence of the water recovery condenser, however, improves the efficiency of the device.
- the device 600 further comprises means 615 for protection against trapping water outside the chamber 102
- FIG. 11 shows a top view of a ninth embodiment of a device 700 according to the invention.
- the device 700 is substantially identical to the device 500 of FIG. 9 (the means in common between the devices 200 and 300 bear the same reference numbers and perform the same functions); the device 700 differs from the device 500 in that it comprises two identical permanent magnets 704 and 705 (two north poles) in place of the permanent magnets 504 and 505.
- the magnet 704 is at the level of the steam injection 1.
- the width of the magnets 704 and 705 has been increased compared to those of the magnets 504 and 505. Therefore, the size of the magnets the resonance zone at the level of the injection 51 1 in the device 700 is greater than that of the device 500.
- the device 700 makes it possible to generate a plasma with 5 branches: the injection of steam from water and microwaves is made in a branch, then the plasma is divided into four branches 712, 712 ', 712 "and 712'" where are placed the recovery systems of hydrogen and oxygen.
- a cold wall condenser (respectively 508, 508 ', 708, 708') for trapping the located oxygen, said condenser intercepting the series
- Figure 12 shows a top view of a tenth embodiment of a device 800 according to the invention.
- the 800 device is a complete system that occupies the entire plasma chamber. Microwave injections are multiple, as are hydrogen recovery systems.
- the device 800 comprises:
- a vacuum chamber 802 under vacuum - six bars of permanent magnets 803, 803 ', 804, 805, 806 and 806' placed outside the chamber 802 and having the same magnetization and the same dimensions;
- the magnets 803 (south pole) and 806 (south pole) face each other on both sides of the chamber 602 at one end thereof;
- the magnets 804 (north pole) and 805 (north pole) face each other on either side of the chamber 902 in the center thereof;
- the magnets 803 '(south pole) and 804' (south pole) face each other on both sides of the chamber 602 at the other end thereof;
- a first oxygen condenser 808 made in the form of cold walls arranged at the ends of the magnetic field lines 812 'and 812 ";
- a second oxygen condenser 808 ' made in the form of cold walls arranged at the ends of the magnetic field lines 812 and 812' ";
- a first pump 813 for pumping the gaseous hydrogen generated near the lines of the end of the field lines
- a second pump 813 'for pumping hydrogen gas located near the lines of the end of the field lines 812 and 812'";
- the device 800 makes it possible to generate a plasma with 6 branches: the injection of water vapor and microwaves are made in the four branches 812, 812 ', 812 "and 812"' at the level, the two branches 812 'and 812 "meeting at the location where the hydrogen and oxygen recovery systems are placed 808 and 813 and the two branches 812 and 812 '"meeting at the location where are placed the hydrogen and oxygen recovery systems 808' and 813 '.
- the device 800 does not comprise an undissociated water condenser but comprises four catalyst surfaces 814, 814 ', 814 "and 814'” intended to increase the dissociation efficiency of the water and the ionization of the water. dissociated elements. Note further that the device 800 comprises two non-dissociated water recycling systems (in small amounts by the presence of catalyst surfaces) each using a recycling pump 815 and 815 '.
- injection systems microwaves and / or water vapor
- these systems can be used in combination with each other.
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (1) de production d'hydrogène par plasma RCE comportant une chambre étanche (2) sous vide, des moyens d'injection (11) de vapeur d'eau, des moyens (11) d'injection d'une onde haute-fréquence dans la chambre (2), une structure magnétique (3, 4, 5, 6) pour engendrer un champ magnétique dans la chambre (2) et générer une nappe de plasma suivant les lignes de champ (12), le module du champ magnétique présentant une configuration de miroir avec une zone de résonance (21 ) pour dissocier les molécules d'eau introduites en phase vapeur et pour ioniser les produits de la dissociation. Le dispositif (1) comporte un condenseur cryogénique (8), placé dans la chambre étanche (2), pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation et des moyens (7, 13) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par le condenseur (8).
Description
Dispositif de production d'hydrogène à partir d'un plasma à la résonance cvclotron électronique
La présente invention concerne un dispositif de production d'hydrogène à partir d'un plasma à la résonance cyclotron électronique.
L'hydrogène (H2) apparaît aujourd'hui comme un vecteur énergétique très intéressant, qui est appelé à prendre de plus en plus d'importance et qui pourrait, à terme, se substituer avantageusement au pétrole et aux énergies fossiles, dont les réserves vont fortement décroître dans les décennies à venir. Dans cette perspective, il est nécessaire de développer des procédés efficaces de production d'hydrogène.
Il a certes été décrit de nombreux procédés de production d'hydrogène, à partir de différentes sources, mais nombre de ces procédés s'avèrent inadaptés vis-à-vis de la limitation des gaz à effet de serre.
Une première technique consiste à utiliser le reformage à la vapeur d'eau. Il s'agit d'une technique de transformation d'hydrocarbures légers tels que le méthane en gaz de synthèse par réaction avec la vapeur d'eau sur un catalyseur. Les deux principales réactions chimiques de cette méthode sont la production du gaz de synthèse et la conversion de CO : CH4 + H2O → co +3H2 co + H2O → co2 +H2 le bilan global étant CH4 + 2H2O → CO2 +4H2
Un des problèmes majeurs de cette voie de synthèse est qu'elle engendre, à titre de sous-produits, des quantités importantes de gaz à effet de serre de type CO2.
Une seconde méthode consiste à utiliser une technique d'oxydation partielle : c'est une technique exothermique et généralement sans catalyseur d'oxydation de produits tels que le gaz naturel, les résidus pétroliers lourds, le charbon. La production de gaz de synthèse est donnée par la réaction :
CnH1n + (nΔθ2 → nCO + (m/)H2
La conversion du monoxyde de carbone est donnée par la réaction : nCO + nH20 → nCO2 + nH2.
Tout comme le reformage, cette technique produit une quantité importante de gaz carbonique. II peut également être fait mention d'une troisième technique utilisant la décomposition thermique directe de l'eau ; une telle technique nécessiterait des températures extrêmement élevées de l'ordre de 3000 à 4000 K (l'utilisation d'un catalyseur permet de diminuer cette température qui reste cependant très élevée, voisine de 1400 K). Cette technique de production est envisagée en utilisant des réacteurs nucléaires à haute température refroidis par un fluide caloporteur gazeux tel que l'hélium (cas des réacteurs, dits de quatrième génération, du type HTR « High Température Reactor »). De par son principe, c'est une technique qui est liée à la production d'uranium. L'autre inconvénient est qu'il est impensable d'utiliser cette mé- thode pour des petites productions d'hydrogène.
Une quatrième voie consiste à réaliser une électrolyse de l'eau : c'est une technique de dissociation de l'eau par passage d'un courant électrique selon la réaction :
H2O →H2 +-O2 Cette réaction, dont l'enthalpie est ΔH=285 kJ.mol"1 (à 298K et 1 bar) est réalisée selon le procédé suivant : une cellule d'électrolyte est constituée de deux électrodes, une anode et une cathode, reliées à un générateur de courant continu. Les électrodes sont plongées dans un électrolyte servant de milieu conducteur. Cet électrolyte est en général une solution aqueuse acide ou basique, une membrane polymère échangeuse de protons (H+) ou une membrane conductrice d'ions oxygène (O2").
Cette technique pose cependant certaines difficultés ; ainsi les électrodes se corrodent dans le temps. Par ailleurs, un tel procédé nécessite le réglage permanent des concentrations et l'utilisation de membranes qui sont soit fragiles pour les membranes organiques, soit à faible rendement pour les membranes minérales.
Une cinquième solution consiste à réaliser une décomposition de l'eau par cycle thermochimique (CTC) : ce procédé utilise une suite de réactions chimiques. Un exemple est l'utilisation du cycle iode-soufre basé sur la décomposition de deux acides à haute température : l'acide sulfurique pro- duit de l'oxygène et du dioxyde de soufre, et l'acide iodhydrique produit de l'hydrogène et de l'iode.
L'inconvénient de cette technique est la mise en œuvre de réactions chimiques assez complexes produisant, en plus de l'hydrogène, beaucoup d'autres éléments tels que le soufre dans le cas du cycle iode-soufre ou le Fe3O4 et l'HBr dans le cas du cycle UT-3.
Une sixième voie envisagée est la biomasse: obtenue par photosynthèse du gaz carbonique et de l'eau, elle utilise l'énergie solaire pour produire des molécules du type C6H9O4. Il y a ensuite un traitement thermochimique selon la réaction : C6^9O4 + 2H2O + SSOkJ → 6CO + 1^ H2
Une gazéification à la vapeur d'eau vers 900 °C produit alors du gaz de synthèse (CO + H2O). Un supplément d'hydrogène est alors obtenu par la réaction de « gas shift » :
6CO + 6H2O → 6CO2 + 6H2 A nouveau, l'inconvénient principal de cette technique réside dans sa production de gaz carbonique.
Une septième technique consiste à réaliser la photo-électrolyse de l'eau : c'est un procédé qui utilise la dissociation de la molécule d'eau par un courant électrique produit par l'éclairement d'un photocatalyseur à semi- conducteur (TiO2, AsGa).
Ce procédé ne produit pas de gaz de gaz à effet de serre mais possède un rendement de conversion relativement faible.
Une autre méthode de production de gaz hydrogène par plasma microondes est proposée dans le document WO2006/123883. Cette méthode utilise la dissociation de molécules gazeuses par impact électronique. La méthode divulguée consiste en l'injection d'une puissance microondes dans un tube diélectrique contenant un gaz ou une vapeur de type H2O ou CH4
sous pression réduite (50-300 torr). Cette puissance microondes provoque l'ionisation et/ou la dissociation du gaz en libérant ainsi l'hydrogène (amorçage d'un plasma microondes). A l'extrémité du tube, un séparateur dans un matériau de type palladium permet de séparer l'hydrogène par diffusion ga- zeuse.
Une autre méthode de production d'hydrogène à partir des molécules d'eau est décrite dans le document WO2005/005009. La méthode divulguée consiste à placer les molécules d'eau dans un champ électromagnétique pour exciter les molécules par agitation thermique jusqu'à ce que leur éner- gie d'excitation dépasse l'énergie de liaison des atomes H et O composant la molécule d'eau.
Une autre méthode de production d'hydrogène en injectant de la vapeur d'eau dans un plasma est décrite dans le document US2004/0265137. Ce brevet décrit un procédé d'obtention d'hydrogène à partir de la vapeur dissociée dans un plasma. Le document mentionne notamment l'utilisation de la résonance cyclotron des électrons (RCE) pour produire ledit plasma. Par rapport aux méthodes de production d'hydrogène précédemment citées, l'utilisation d'une machine à plasma RCE présente de nombreux avantages :
- fonctionnement continu et stable ; - pas de mise en œuvre de températures élevées ;
- pas d'usure (temps d'utilisation très long dû à l'absence de filament ou d'électrodes) ;
- pas de production de carbone ou de composés carbonés ;
- pas d'utilisation de complexes chimiques ; - faible coût, si la structure magnétique est réalisée en aimants permanents. Toutefois, malgré les avantages mentionnés ci-dessus, un problème majeur d'une telle machine à plasma qui casse, par impact électronique, les liaisons de la molécule d'eau, est la séparation des produits formés.
L'insertion d'un diélectrique est une solution possible. Cette méthode présente cependant l'inconvénient d'utiliser des composés rares et onéreux. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dispositif de production d'hydrogène à partir de l'eau avec un plasma à la résonance cyclotron électronique ne requérant pas nécessairement des champs
magnétiques importants et permettant une dissociation efficace des molécules d'eau et une séparation simple des produits formés.
A cette fin, l'invention propose un dispositif de production d'hydrogène à partir d'un plasma à la résonance cyclotron électronique comportant : - une chambre étanche sous vide destinée à contenir un plasma,
- des moyens d'injection de vapeur d'eau dans ladite chambre,
- des moyens d'injection d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre, - une structure magnétique pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre et générer une nappe de plasma suivant les lignes de champ magnétique, le module dudit champ magnétique présentant une configuration de miroir magnétique avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique pour dissocier au moins partiellement les molécules d'eau introduites en phase vapeur et pour ioniser au moins partiellement les produits de la dissociation, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte :
- au moins un condenseur cryogénique, placé dans ladite chambre étanche, pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation,
- des moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par ledit condenseur cryogénique. On entend par chambre étanche sous vide une chambre dans laquelle règne une pression de travail inférieure ou égale à 5.10"3 mbar, ladite pression de travail correspondant sensiblement à la pression partielle de vapeur d'eau injectée dans la chambre.
Grâce à l'invention, on obtient une production d'hydrogène à partir de la vapeur d'eau. Le dispositif selon l'invention est basé sur l'utilisation combinée d'un plasma à la résonance cyclotron des électrons et d'au moins un condenseur cryogénique sélectif. Ce dispositif non émetteur de CO2 n'utilise ni électrodes, ni membrane, ni températures élevées.
Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, à chaque passage au voisinage de la zone de résonance, les électrons vont acquérir de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis ioniser, au moins partiellement, les produits de dissociation. Grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont suivre les électrons sur les lignes de champ magnétique.
Le dispositif selon l'invention permet de travailler en continu pendant plusieurs mois sans interruption ni maintenance. Le dispositif peut, en fonction de ses dimensions, avoir un volume de plasma allant de quelques cm3 à plusieurs litres, voire m3.
En observant les diagrammes de phase des éléments hydrogène et oxygène pour les basses températures représentés en figure 2, la pression de fonctionnement de la machine à plasma considérée étant inférieure à 5X10"3 mbar, on remarque qu'il existe une plage de température où il est possible de cryocondenser l'oxygène tout en gardant l'hydrogène sous forme gazeuse. Par exemple, à 5X10"3 mbar, cette plage de température va de 6,4K à 42K. Ainsi, en utilisant un ou plusieurs condenseurs cryogéniques (par exemple une ou plusieurs plaques refroidies) à une température telle que les deux éléments, hydrogène et oxygène, composant le plasma se trouvent sous des phases différentes (hydrogène gazeux et oxygène solide), on peut piéger l'oxygène sous forme solide sans piéger l'hydrogène qui sera récupéré par d'autres moyens. La température du condenseur dépend des pressions partielles d'hydrogène à partir de la densité initiale du plasma qui est elle-même fonction de la fréquence microonde injectée. L'oxygène étant piégé, on utilise alors des moyens de récupération de l'hydrogène tels qu'un système de pompage classique (pompe turbomoléculaire par exemple) pour pomper l'hydrogène. Il est également possible d'utiliser avantageusement le fait que les particules ionisées suivent, par électroneutralité du plasma, les électrons qui sont guidés par les lignes de champ magnétiques. En effet, si les plaques de cryocondensation de l'oxygène sont placées dans les lignes de champ magnétiques, on peut alors avantageusement placer des plaques de cryocondensation d'hydrogène en dehors des lignes de champ magnétique. Ainsi, hydrogène et oxygène sont fixés sur des parois froides indé-
pendantes qu'il suffira de réchauffer indépendamment l'une de l'autre pour récupérer séparément hydrogène et oxygène soit sous forme liquide, soit sous forme gazeuse.
On notera que, bien qu'utilisant un champ électromagnétique, le dis- positif selon l'invention n'utilise pas de procédé d'agitation thermique des molécules d'eau, mais casse les liaisons atomiques par collisions avec les électrons du plasma.
Selon un mode particulièrement avantageux de l'invention, ladite chambre comporte des moyens de récupération de l'eau non dissociée, les lignes de champ générées par ladite structure magnétique étant courbées par rapport à l'axe d'injection de la vapeur d'eau, lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée étant sensiblement agencés suivant l'axe d'injection de la vapeur d'eau.
Ce mode de réalisation avantageux permet de résoudre le problème de la récupération des molécules d'eau non dissociées par les électrons du plasma. En effet, l'ionisation et la dissociation des molécules d'eau n'est jamais totale ; dès lors, une quantité non négligeable de molécules d'eau reste présente. Il est évidemment intéressant de récupérer ces molécules d'eau non dissociées, par exemple pour les recycler en les renvoyant dans la chambre sous forme de vapeur. Si les lignes de champ magnétiques n'étaient pas courbées, il n'y aurait pas possibilité de recycler l'eau non dissociée. En effet, les molécules d'eau non dissociées ne sont pas guidées par les lignes de champ magnétique et vont préférentiellement en ligne droite par rapport à la buse d'injection de la vapeur d'eau. En d'autres termes, dans un simple miroir axisymétrique, il faudrait récupérer au même endroit et en même temps l'eau non dissociée ainsi que l'hydrogène et l'oxygène dissocié, ce qui est difficilement réalisable.
Selon ce mode de réalisation avantageux, les lignes de champ magnétiques sont courbées de telle manière qu'il est alors possible d'effectuer en même temps les opérations de recyclage de l'eau non dissociée, de séparation de l'hydrogène et de l'oxygène, de récupération d'hydrogène et de récupération d'oxygène. Les lignes de champ magnétiques courbées permettent ainsi de récupérer la vapeur d'eau non dissociée ni ionisée, par
exemple sur un condenseur placé en ligne droite par rapport à l'injection de vapeur d'eau.
Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou se- Ion toutes les combinaisons techniquement possibles :
- lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée comportent une seconde chambre reliée à ladite chambre à plasma ;
- ladite seconde chambre est de forme tubulaire ;
- lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée sont formés par un condenseur ;
- lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée sont séparés de ladite chambre à plasma par un dispositif à diaphragme ;
- le dispositif selon l'invention comporte au moins un système de réinjection de l'eau non dissociée en phase vapeur et issue desdits moyens de récupération de l'eau non dissociée ;
- le dispositif selon l'invention comporte un grillage présentant un mail- lage permettant d'arrêter la propagation des ondes hautes fréquences de sorte que lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée sont agencés dans une zone sans microondes donc sensiblement sans plasma ;
- ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation est à une température comprise entre 6 et 41 K pour une pression moyenne comprise entre 10"3 mbar et 5X10"3 mbar dans ladite chambre (température comprise entre 6 et 39 K pour une pression sensiblement égale à 10"3 mbar et température comprise entre 6 et 41 K pour une pression sensiblement égale à 5X10"3 mbar);
- ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est un panneau cryogénique plein ou ajouré ; - ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est agencé de façon à intercepter lesdites lignes de champ formées par ladite structure magnétique ;
- ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est un panneau cryogénique qui entoure lesdites lignes de champ formés par ladite structure magnétique ;
- le dispositif selon l'invention comporte une enceinte apte à récupérer l'oxygène lorsque ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est régénéré par élévation de température ;
- lesdits moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent une pompe servant à pomper l'hydrogène en phase gazeuse ; - lesdits moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène, ledit condenseur cryogénique étant à une température inférieure à la température dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène, ledit au moins un conden- seur cryogénique pour geler l'oxygène étant disposé de façon à piéger l'oxygène avant que ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène ne piège l'hydrogène.
- le dispositif selon l'invention comporte :
• un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène apte à être régénéré par élévation de température,
• une enceinte apte à récupérer l'hydrogène lorsque ledit condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène est régénéré par élévation de température ;
- le dispositif selon l'invention comporte : - une première enceinte incluant :
• un premier condenseur cryogénique pour geler l'oxygène ;
• éventuellement un premier condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène ; - une deuxième enceinte incluant :
• un deuxième condenseur cryogénique pour geler l'oxygène ;
• éventuellement un deuxième condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène ; chacune desdites première et deuxième enceintes étant aptes à récupérer l'oxygène et l'hydrogène indépendamment l'une de l'autre par régénération, ladite régénération se faisant par élévation progressive de la température pour que l'hydrogène passe d'abord en phase gazeuse et soit récupéré et l'oxygène passe ensuite en phase gazeuse et soit récupéré.
- ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène comporte au moins un panneau cryogénique plein ou ajouré ; - le dispositif selon l'invention comporte un grillage polarisé négativement placé en avant, par rapport au plasma, dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène et/ou dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène, de sorte que ledit grillage repousse les électrons vers le plasma et attire les ions; - ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène et/ou ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène sont aptes à être polarisés négativement pour repousser les électrons vers le plasma et attirer les ions ;
- lesdits moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation sont agencés pour ne pas intercepter lesdites lignes de champ magnétique ;
- le dispositif selon l'invention comporte au moins une surface de catalyseur pour fixer les molécules d'eau et augmenter le rendement de dissociation de l'eau par impacts électroniques du plasma sur ladite surface ;
- ladite surface de catalyseur est placée dans la zone de miroir magnétique, de préférence entre les zones de résonance.
- ladite structure magnétique comporte des aimants permanents ;
- la structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles qui se font face dans la zone d'injection de la vapeur d'eau sont de même nature Nord-Nord ou Sud-Sud;
- la structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles qui se font face, dans la zone de récupération de l'hydrogène
sont de même sens, les valeurs d'aimantation de ces aimants étant soit identiques soit différentes ;
- la structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles qui se font face, dans la zone de récupération de l'hydrogène sont de sens opposé ;
- l'aimant permanent situé dans la zone d'injection de la vapeur d'eau est de même polarité que l'aimant situé dans la zone de récupération de l'hydrogène ;
- la structure magnétique comporte des aimants permanents de tailles différentes et présentant soit une même aimantation soit des aimantations différentes ;
- la structure magnétique comporte des bobines à température ambiante et/ou des bobines supraconductrices à basse ou haute température critique, dites bas ou haut Tc ; - la fenêtre d'entrée desdits moyens de propagation d'une onde haute- fréquence à l'intérieur de ladite chambre est placée dans un champ magnétique dont le module est supérieur au module du champ magnétique de résonance pour que le plasma diffuse vers la chambre et éviter ainsi des impacts du plasma sur ladite fenêtre ; - le rapport miroir entre les maxima de champ magnétique dudit miroir magnétique et le minimum de champ magnétique dudit miroir magnétique est strictement supérieur à 1 et préférentiellement supérieur à 3 qui représente une valeur optimale pour permettre un bon confinement du plasma. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation du diagramme de phase de l'eau;
- la figure 2 est une représentation des diagrammes de phase de l'hydrogène et de l'oxygène avec les valeurs correspondantes au point triple de chaque élément ;
- la figure 3 représente en vue de dessus un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 4 représente en vue de dessus un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 5 représente en vue de dessus un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; - la figure 6 représente en vue de dessus un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 7 représente en vue de dessus un cinquième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 8 représente en vue de dessus un sixième mode de réalisa- tion du dispositif selon l'invention ;
- la figure 9 représente en vue de dessus un septième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 10 représente en vue de dessus un huitième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; - la figure 1 1 représente en vue de dessus un neuvième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 12 représente en vue de dessus un dixième mode de réalisation du dispositif selon l'invention.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites précédemment en référence à la présentation générale de l'invention.
La figure 3 est une représentation simplifiée en vue de dessus d'un dispositif 1 de production d'hydrogène à résonance cyclotronique électro- nique selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif 1 comporte :
- une chambre étanche 2 (appelée indifféremment enceinte par la suite) sous vide ;
- quatre barreaux d'aimants permanents 3, 4, 5 et 6 placés en dehors de la chambre 2 (les barreaux ont typiquement une hauteur comprise entre quelques centimètres et 1 m);
- un condenseur cryogénique 8 pour piéger l'oxygène ;
- un condenseur 7 pour piéger l'hydrogène ;
- une pompe 13 pour le pompage de l'hydrogène gazeux ;
- une tubulure 9 de récupération de l'eau non dissociée faisant office de condenseur de vapeur d'eau ;
- une pompe 10 de recyclage de l'eau non dissociée en phase vapeur ou liquide ;
- des moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 2 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence (formés par un guide d'ondes ou un câble coaxial équipé d'une fenêtre haute fréquence étanche au vide non représentés) à l'intérieur de la chambre 2, lesdits moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 1 1 et étant situés à proximité de l'aimant 4.
La chambre 2 est sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc. Afin d'avoir le moins d'impuretés possible dans la chambre 2, un vide résiduel de 10"4 mbar minimum est nécessaire. On peut toutefois abaisser davantage ce vide (typiquement jusqu'à 10"5 mbar) pour avoir encore moins d'impuretés dans la chambre 2. Pendant le fonctionnement du dispositif 1 (i.e. après l'injection de la vapeur d'eau dans la chambre), la pression de travail de la chambre 2 est typiquement inférieure ou égale à 5.10"3 mbar, cette pression étant liée à la pression partielle de vapeur d'eau injectée dans la chambre 2.
La structure magnétique formée par les quatre barreaux 3, 4, 5 et 6 entourant la chambre 2 produit à l'intérieur de la chambre 2 un champ ma- gnétique dont la configuration est une configuration à miroir magnétique présentant au moins deux maxima et un minimum de champ magnétique et au moins une zone de résonance (ici une pluralité de zones de résonance représentées par des points blancs 21 localisés sur les lignes de champ 12). C'est une structure dite à minimum B : les électrons du plasma sont confinés dans un puits magnétique.
Dans un dispositif à plasma magnétisé tel que le dispositif 1 , les électrons sont bien confinés, tout particulièrement ceux qui ont une grande vitesse perpendiculaire par rapport aux lignes de champ magnétique. Lorsque les microondes sont injectées dans le plasma, elles tendent à se propager à travers le plasma jusqu'à la zone de résonance. En effet, le transfert d'énergie de la puissance microonde injectée aux électrons du plasma se produit en un lieu de champ magnétique BrθS tel que la condition de résonance cyclotron électronique soit établie, c'est-à-dire lorsqu'il y a égalité entre la pulsation de l'onde haute fréquence ωHF et la pulsation cyclotro- nique de l'électron :
Un générateur de microondes non représenté est placé à l'extérieur de la chambre 2 ; ce générateur injecte des ondes hautes fréquences (HF) dans la chambre 2 via les moyens de propagation précités. La gamme de fréquence des microondes peut aller du GHz à la centaine de GHz, le générateur le plus courant étant le magnétron à 2,45 GHz communément utilisé pour les fours microondes domestiques. Pour une fréquence de 2,45 GHz, on a un champ magnétique de résonance BrθS=0,0875 T. Toutefois, pour des dispositifs de production d'hydrogène miniatures (pour des systèmes em- barques par exemple), on peut également utiliser des transistors de puissance comme générateur HF. En effet, il existe maintenant des transistors à effet de champ capables de délivrer environ 60 W à 14,5 GHz.
Les moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 2 sont placés préférentiellement à proximité des moyens générateurs de microondes (toutefois, on peut également choisir un autre emplacement pour des raisons de commodité). L'eau est introduite dans la chambre à plasma 2 en phase vapeur. Un moyen simple pour obtenir cette phase vapeur est de mettre un réservoir à eau en dépression à quelques dizaines de mbar.
Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, à chaque passage au voisinage de la zone de résonance, les électrons vont acquérir de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis au moins partiellement ioniser les produits de dissociation. Les électrons sui-
vent les lignes de champ magnétique grâce à la loi de Laplace ; grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont ensuite suivre les électrons sur les lignes 12 de champ magnétique.
Le meilleur taux de dissociation de l'eau étant obtenu pour des pres- sions de travail inférieures à 5X10"3 mbar, cette valeur est considérée comme une pression de travail maximale dans l'enceinte 2, d'autant plus que les électrons ne seraient plus guidés magnétiquement si l'on accroît cette pression au-delà de 5X10"3 mbar.
Dans le cas qui nous intéresse, c'est-à-dire la production d'hydrogène à partir de la vapeur d'eau, seule la population d'électrons ayant quelques dizaines d'eV est utile. A la pression de travail considérée, la distribution en énergie des électrons va de quelques eV à quelques dizaines d'eV, cette distribution étant suffisamment large pour atteindre l'objectif d'ionisation recherché. Avantageusement, la fenêtre d'entrée des ondes haute fréquence
(représentée par l'extrémité de la flèche 11 ) est placée dans une zone de fort champ magnétique. De la sorte, le plasma diffusera dans la chambre à plasma et non vers la fenêtre HF qui aura alors une durée de vie sera illimitée. Il est également possible d'utiliser des plasmas dits « sur-denses » (overdense en anglais) où la fréquence plasma est plus grande que la fréquence microondes. L'utilisation de plasmas « sur-denses » permet d'augmenter avantageusement la densité électronique donc d'augmenter l'efficacité du système.
La vapeur d'eau est injectée sensiblement suivant l'axe AA' vertical dans le plan de la feuille par les moyens d'injection.
L'orientation des aimants 3, 4, 5 et 6 est telle que, à l'endroit où sont injectées la vapeur d'eau et les microondes (entre les deux aimants 4 et 5), deux polarités identiques se font face : ainsi les deux aimants 4 et 5 ont une même polarité nord (bien entendu, l'invention s'applique également avec une même polarité sud). A l'inverse, à l'endroit de récupération de l'hydrogène (entre les deux aimants 3 et 6), les polarités qui se font face sont de signes opposés : ainsi, l'aimant 3 a une polarité nord et l'aimant 6 a
une polarité sud. En outre, les polarités des aimants situés, d'une part du côté de l'injection de vapeur d'eau (aimant 4 ayant une polarité nord) et d'autre part du côté de la récupération d'hydrogène (aimant 6 ayant une polarité sud), sont de signes opposés. En conséquence, les lignes de champ magnétiques 12 sont courbées, permettant ainsi de récupérer la vapeur d'eau non dissociée ni ionisée sur le condenseur d'eau 9 placé à proximité de l'aimant 5, en ligne droite par rapport à l'axe AA' d'injection de vapeur d'eau. Si les lignes de champ magnétiques 12 n'étaient pas courbées, il n'y aurait pas possibilité de recycler l'eau non dissociée. En effet, les molécules d'eau non dissociées ne sont pas guidées par les lignes de champ magnétique et vont préférentiellement en ligne droite par rapport à l'injection de la vapeur d'eau. En d'autres termes, dans un simple miroir axisymétrique, il faudrait récupérer au même endroit et en même temps l'eau non dissociée ainsi que l'hydrogène et l'oxygène dissocié, ce qui est difficilement réali- sable.
Le condenseur d'eau tubulaire 9 est placé directement dans l'enceinte 2 dans laquelle règne une pression de l'ordre de 10"3 mbar. La figure 2 qui représente diagramme de phase de l'eau, montre qu'à la pression considérée, non dissociée est toujours sous forme de vapeur pour des tempéra- tures supérieures à 200K, ce qui est le cas dans la chambre 2 à plasma. Ce condenseur 9 est ici une tubulure verticale dans laquelle est établi un gradient de pression (de 10"3 mbar à 102 mbar ou 1 bar). Ainsi, l'eau, qui passe de la forme vapeur à la forme liquide, coule le long de la tubulure verticale 9 par gravité et est avantageusement recyclée via la pompe de recyclage 10. Toutefois, si la tubulure de recyclage 9 est courte, le gradient de pression dans la tubulure peut rester faible et l'eau peut être réinjectée dans le dispositif 1 directement en phase vapeur.
Les ions créés sont guidés le long des lignes de champ 12.
A ce stade, le dispositif 1 selon l'invention doit séparer les différents produits formés de manière à extraire l'hydrogène. Pour ce faire, on utilise avantageusement les diagrammes de phase des éléments hydrogène et oxygène pour les basses températures tels que représentés en figure 1. La
pression de fonctionnement de l'enceinte 2 considérée étant inférieure à 5X10"3 mbar, on remarque que pour une température comprise entre 6K et 4OK (préférentiellement comprise entre 5K et 30K), il est possible de cryo- condenser l'oxygène tout en gardant l'hydrogène sous forme gazeuse. Ainsi, selon l'invention, on insère en extrémité du dispositif 1 à plasma une ou plusieurs plaques refroidies à une température telle que les deux éléments composant le plasma (oxygène et hydrogène) se trouvent sous des phases différentes (hydrogène gazeux et oxygène solide). La température est déterminée en calculant les pressions partielles d'hydrogène à partir de la den- site initiale du plasma qui est en corrélée à la fréquence microondes injectée. La température est aussi déterminée pour minimiser la consommation électrique du cryo-réfrigérateur : elle sera préférentiellement voisine de 3OK.
En application de ce qui précède, le condenseur 8 d'oxygène est un cryo-panneau (ou panneau cryogénique) plein ou ajouré agencé en extrémi- té des lignes de champ magnétiques 12. Ainsi, le plasma qui suit ces lignes de champ grâce à son électroneutralité, arrive près de la paroi 8 dont la température avoisine par exemple les 20-30K. Toutes les particules sont ainsi piégées hormis l'hydrogène qui restera en phase gazeuse. On notera que les différents composants issus de la dissociation de l'eau sont essen- tiellement ; H2, O2, OH, H, O, O+, H+, H2 +, O2 +, OH". Tous les éléments ionisés se neutralisent avant de toucher une paroi (soit une paroi d'un cryopan- neau soit une autre paroi), tandis que les éléments neutres se recombinent pour donner des éléments stables : H2, O2, H2O.
Un condenseur 7 à parois froides (à une température inférieure à 5K et différente de la température du condenseur 8) tel qu'un cryo-panneau plein ou ajouré est placé en dehors de lignes de champ magnétique pour cryocondenser l'hydrogène. Ainsi, hydrogène et oxygène sont fixés sur des parois froides indépendantes (respectivement le condenseur 7 pour récupérer l'hydrogène et le condenseur 8 pour geler l'oxygène sans geler l'hydrogène) qu'il suffira de réchauffer indépendamment l'une de l'autre pour récupérer séparément hydrogène et oxygène soit sous forme liquide, soit sous forme gazeuse.
La pompe 13 pour le pompage de l'hydrogène gazeux est localisée en dehors des lignes de champ 12 à proximité de l'extrémité des lignes de champ 12
Ainsi, au niveau des lignes de champ 12, le condenseur 8 dont la température est de l'ordre de 20-30K piège l'oxygène du plasma. A cette température, l'hydrogène n'est pas piégé, reste gazeux et peut donc être pompé via les moyens de pompage 13.
On constate donc que l'on peut utiliser indifféremment deux types de moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par ledit condenseur cryogénique 8 : un condenseur cryogénique 7 et/ou des moyens de pompage 13.
On notera que, selon le quadrillage représenté en figure 3, un carreau correspond sensiblement à 1 cm ; dès lors, la largeur de la fenêtre d'injection des microondes est de l'ordre de 2 cm (cette échelle est valable pour l'ensemble des figures 3 à 15). Toutefois, il convient de noter qu'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en adoptant des dimensions différentes, notamment plus élevées. Les dimensions de chaque aimant ont été calculées de manière à obtenir, dans la chambre à plasma, des zones de résonance, où les électrons prennent suffisamment d'énergie pour dissocier les molécules d'eau et au moins partiellement ioniser les produits de dissociation. Ainsi, pour la fréquence de 2,45 GHz, les aimants ont typiquement une largeur de 5,4 cm et une longueur de 6,5 cm (il s'agit d'un exemple de réalisation mais il peut bien entendu y avoir d'autres combinaisons à une fréquence donnée). La hauteur est, quant à elle, définie par l'homme du métier en fonction de la place disponible et de ses besoins. Elle peut aller, en effet de quelques centimètres à plusieurs mètres.
La figure 4 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 1 et 20 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 20 selon ce second mode de réalisation se différencie du dispositif 1 de la figure 3 en ce qu'il comporte un condenseur 16 d'eau non dissociée, ledit condenseur 16 étant refroidi, par exemple avec de l'azote liquide (à 77K) de manière à fixer l'eau
sous forme de glace (pour économiser de l'énergie électrique, on peut aussi recycler de l'eau liquide à quelques 0C). Le condenseur 16 est agencé à proximité de l'aimant 5, en ligne droite par rapport à l'axe AA' d'injection de vapeur d'eau. Dans ce cas, l'homme du métier pourra procéder à un cycle de réchauffement : sans arrêter l'injection des microondes, mais en stoppant l'apport externe de vapeur d'eau, un réchauffement progressif du condenseur créera à nouveau de la vapeur d'eau qui pourra alors être renvoyée dans la chambre 2 via des moyens de recyclage 17 : cette vapeur d'eau pourra donc être dissociée et ionisée. Avantageusement, deux condenseurs d'eau pourront être installés dans l'enceinte de telle manière qu'un condenseur sera porté à basse température pour piéger l'eau, tandis que l'autre sera en phase de réchauffement pour libérer de la vapeur d'eau.
Le dispositif 20 selon l'invention comporte une enceinte de séparation 14 permettant d'éviter d'envoyer l'eau sous forme de vapeur n'importe où dans la chambre 2 (et notamment sur les parois). Cette enceinte de séparation est particulièrement utile lorsque la vapeur d'eau n'est pas introduite dans la chambre à plasma 2 sous la forme d'un jet directionnel.
La figure 5 est une représentation simplifiée d'un dispositif 100 de production d'hydrogène à résonance cyclotronique électronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif 100 comporte :
- une chambre étanche sous vide à plasma;
- quatre barreaux d'aimants permanents 103, 104, 105 et 106 placés en dehors de la chambre 102 (les barreaux ont typiquement une hauteur comprise entre quelques centimètres et 1 m, par exemple 270 mm selon le mode de réalisation décrit ici);
- un condenseur 108 pour piéger l'oxygène ;
- une pompe 120 pour le pompage de l'hydrogène gazeux ;
un condenseur 1 16 d'eau non dissociée et des moyens 1 17 de recyclage;
- des moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 102 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la chambre 102, lesdits moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 1 1 1 et étant situé à proximité de l'aimant 104 ;
- un grillage 1 18 filtrant les ondes hautes fréquences ;
- des moyens 1 19 de protection contre le piégeage de l'eau en dehors de la chambre 102. La chambre 102 est sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc.
La structure magnétique formée par les quatre barreaux 103, 104, 105 et 106 entourant la chambre 102 produit à l'intérieur de la chambre 102 un champ magnétique dont la configuration est une configuration à miroir magnétique présentant au moins deux maxima et un minimum de champ magnétique et au moins une zone de résonance (ici une pluralité de zones de résonance représentées par des points blancs 21 localisés sur les lignes de champ 1 12).
Un générateur de microondes non représenté est placé à l'extérieur de la chambre 102 ; ce générateur envoie des ondes hautes fréquences dans la chambre 102 via les moyens de propagation précités.
Les moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 102 sont placés préférentiellement à proximité des moyens générateurs de microondes. L'eau est introduite dans la chambre à plasma 102 en phase va- peur.
Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, à chaque passage au voisinage de la zone de résonance, les électrons vont acquérir de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis ioniser au moins partiellement les produits de dissociation. Grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont suivre les électrons sur les lignes 112 de champ magnétique.
La vapeur d'eau est injectée sensiblement suivant l'axe AA' vertical dans le plan de la feuille par les moyens d'injection. Le dispositif 100 selon l'invention comporte une enceinte de séparation 119 permettant d'éviter d'envoyer l'eau sous forme de vapeur n'importe où dans la chambre 102 (et notamment sur les parois). Cette enceinte de séparation est particulièrement utile lorsque la vapeur d'eau n'est pas introduite dans la chambre à plasma 102 sous la forme d'un jet directionnel.
Le condenseur 1 16 d'eau non dissociée est refroidi, par exemple avec de l'azote liquide (à 77K) de manière à fixer l'eau sous forme de glace. Le condenseur 1 16 est agencé à proximité de l'aimant 105, en ligne droite par rapport à l'axe AA' d'injection de vapeur d'eau. On peut bien entendu également conserver l'eau sous forme liquide avec un condenseur à quelques °C, cette dernière solution étant plus économique.
Les 4 barreaux d'aimants permanents 103 (polarité sud), 104 (polarité nord), 105 (polarité nord) et 106 (polarité sud) sont placés de telle manière que les pôles de même signe se font face. Les inductions magnétiques de tous ces aimants sont égales en valeur absolue. La distance entre les aimants 104 et 103 étant plus courte que la distance entre les aimants 104 et 106, les lignes de champ magnétiques vont de 104 à 103. Le rôle des ai- mants est d'obtenir des lignes de champ magnétique et de créer des zones de RCE. Dans un exemple de réalisation pour une fréquence microondes de 2,45GHz, la section de base d'un barreau d'aimant est voisine de 5,4 cm X 6,5 cm. La hauteur, quant à elle peut varier de quelques centimètres à plusieurs mètres. La vapeur d'eau est injectée au niveau de l'aimant 104 dans la direction AA' parallèle aux lignes de champ magnétique. Il en est de même pour les microondes. De la sorte, la vapeur d'eau qui n'est pas utilisée dans le plasma va directement sur le condenseur H2O 1 16 pour être recyclée via les moyens de recyclage 1 17. La courbure des lignes de champ permet de ne pas récupérer dans une même zone, l'eau non dissociée, l'hydrogène et l'oxygène. A cause des différences de température de condensation de ces éléments, il y aurait une accumulation de glace qui diminuerait fortement l'efficacité du système jusqu'à l'arrêt de la machine.
Le condenseur 108 dont la température est de l'ordre de 20-30K piège l'oxygène du plasma. Ce condenseur 108 d'oxygène est par exemple un cryo-panneau (ou panneau cryogénique) plein ou ajouré agencé en extrémité des lignes de champ magnétiques 1 12. A cette température, l'hydrogène n'est pas piégé, reste gazeux et peut donc être pompé via les moyens de pompage 120. Il convient alors de réaliser des cycles de régénération pour évacuer l'oxygène qui s'accumule au cours du temps sur la paroi froide du condenseur 108.
On notera que le dispositif 100 selon l'invention consiste en une ver- sion de l'invention où les lignes de champ magnétiques sont fortement courbées de sorte que l'on obtient une partie centrale à champ quasi plat. Cette forme avantageuse permet une bonne séparation de l'eau non dissociée qui quitte rapidement le plasma. La figure 5 montre aussi que le nombre de zones de résonances augmentent, ce qui est avantageux pour les proces- sus de dissociation de molécules et d'ionisation des atomes formés.
En outre cette disposition permet de placer un catalyseur sur quasiment toute la longueur de la machine comme cela sera illustré en figure 7.
On notera en outre qu'il y a également des lignes de champ magnétiques qui vont de l'aimant 105 à l'aimant 106 avec aussi des zones de ré- sonance. Les moyens 1 16 de récupération d'eau ne doivent préférentielle- ment pas se trouver dans une zone de plasma dense. Pour cela, le grillage HF 1 18 dont la maille sera de faible dimension par rapport à la longueur d'onde des microondes injectées, permet d'obtenir un plasma uniquement dans la zone désirée. La maille est choisie de manière à empêcher la pro- pagation des microondes tout en laissant passer les molécules d'eau.
La figure 6 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 100 et 200 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 200 selon ce quatrième mode de réalisation se différencie du dispositif 100 de la figure 5 en ce qu'il comporte un système à condenseurs cryogéniques pour piéger l'hydrogène. Ce système est ici réalisé sous la forme de deux parois froides 207 et 213, dont la température est inférieure à 5K, qui piègent l'hydrogène. Ici aussi, le
condenseur 108 à paroi froide destiné à piéger l'oxygène est situé dans les lignes de champ magnétique 1 12 alors que les parois froides 207 et 213 destinées à piéger l'hydrogène sont placées en dehors de lignes de champ magnétique 1 12. On notera que le grillage HF n'est pas représenté sur la figure 6.
La figure 7 représente en vue de dessus un cinquième mode de réalisation d'un dispositif 300 selon l'invention. Le dispositif 300 est identique au dispositif 200 de la figure 6 (les moyens en commun entre les dispositifs 200 et 300 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions) et comporte en plus une surface de catalyseur 301 placée dans la zone de miroir magnétique, de préférence entre les zones de résonance. Cette surface de catalyseur est destinée à augmenter l'efficacité de dissociation de l'eau et l'ionisation des éléments dissociés : elle fixe les molécules d'eau pour augmenter le rendement de dissociation de l'eau par impacts électroniques du plasma sur cette surface.
Le catalyseur 301 est par exemple une surface à base de TiO2. Compte tenu du fait que le catalyseur 301 est placé non loin du plasma, le dispositif selon l'invention conçue pour dissocier l'eau peut avantageusement servir, dans un premier temps, au traitement de surface du catalyseur pour en augmenter son efficacité : dans ce cas on utilisera un plasma d'argon. Ce catalyseur est placé proche du plasma de manière à pouvoir bénéficier d'un traitement de surface dans une première phase d'utilisation de la machine. Ensuite, le caractère hydrophile de ce catalyseur permettra de réguler l'afflux de vapeur d'eau dans la machine. Ainsi le dispositif pourra fonctionner soit avec un système de récupération de H2O non dissocié, soit avec un catalyseur, soit avec une combinaison des deux procédés de régulation de la quantité d'eau dans le dispositif.
La figure 8 représente en vue de dessus un sixième mode de réalisation d'un dispositif 400 selon l'invention. Ce dispositif 400 se différencie du dispositif 200 de la figure 6 en ce qu'il comporte :
- quatre aimants permanents 403, 404, 405 et 406 tels que l'aimantation de l'aimant 403 (pôle sud) est 0,7 fois plus faible que
l'aimantation de l'aimant 406 (pôle sud) qui a lui-même une même aimantation que les aimants 404 et 405 (deux pôles nord) ;
- un second condenseur cryogénique 108' pour piéger l'oxygène ;
- un second système à condenseurs cryogéniques pour piéger l'hydrogène réalisé sous la forme de deux parois froides 207' et 213'.
Les autres moyens en commun entre le dispositif 200 selon la figure 6 et le dispositif 400 selon la figure 8 portent les mêmes numéros de référence.
Grâce à la structure magnétique formée par les quatre aimants per- manents 403 à 406, les lignes de champ 212 se divisent en deux séries 412 et 412' de lignes de champ magnétiques de manière à pouvoir alternativement récupérer l'hydrogène et l'oxygène en deux endroits différents. Pour cela, il suffit de diminuer, en valeur absolue, la valeur de l'aimantation de l'aimant 403 par rapport à l'aimantation des aimants 404, 405 et 406. De par les valeurs d'aimantation choisies, les lignes de champs 412 et 412' iront de l'aimant 404 au niveau duquel sont injectés la vapeur d'eau et les microondes respectivement vers les aimants 406 et 403.
Le dispositif 400 comporte ainsi deux enceintes de récupération 407 et 408. L'enceinte de récupération 408 comporte :
- les deux parois froides 207 et 213, dont la température est inférieure à 5K, qui piègent l'hydrogène. le condenseur 108 à paroi froide destiné à piéger l'oxygène situé, ledit condenseur 108 interceptant la série 412 de lignes de champ magnétique alors que les parois froides 207 et 213 destinées à piéger l'hydrogène sont placées en dehors de la série 412 de lignes de champ magnétique.
L'enceinte de récupération 407 comporte :
- les deux parois froides 207' et 213', dont la température est inférieure à 5K, qui piègent l'hydrogène.
le condenseur 108' à paroi froide destiné à piéger l'oxygène situé, ledit condenseur 108' interceptant la série 412' de lignes de champ magnétique alors que les parois froides 207' et 213' destinées à piéger l'hydrogène sont placées en dehors de la série 412' de lignes de champ magnétique.
Ces deux enceintes 408 et 407 sont alternativement reliées à la chambre à plasma 102, par exemple par l'intermédiaire d'une vanne tiroir 414. Ainsi, pendant que les condenseurs situés au niveau de l'enceinte 407 piègent séparément les particules, l'enceinte 408 est isolée de la chambre à plasma 102 pour régénérer successivement les deux condenseurs : ce processus de régénération se fait d'abord par élévation de la température de 5K à une température inférieure à 3OK pour que l'hydrogène passe en phase gazeuse et puisse être pompé, puis par élévation de la température à une température supérieure à 40K pour pomper l'oxygène devenu gazeux. Le dispositif 400 selon l'invention utilise ici un exemple de plasma à 3 branches : l'injection de vapeur d'eau et des microondes se fait dans une branche, puis le plasma est divisé en deux branches où sont placés les systèmes de récupération d'hydrogène et d'oxygène.
La figure 9 représente en vue de dessus un septième mode de réali- sation d'un dispositif 500 selon l'invention.
Le dispositif 500 comporte :
- une chambre étanche 502 sous vide ;
- six barreaux d'aimants permanents 503, 503', 504, 505, 506 et 506' placés en dehors de la chambre 502; les aimants 503 (pôle sud) et 506 (pôle sud) se font face de part et d'autre de la chambre 502 ; les aimants 504 (pôle nord) et 505 (pôle nord) se font face de part et d'autre de la chambre 502 ; les aimants 503' (pôle sud) et 504' (pôle sud) se font face de part et d'autre de la chambre 502 ;
- des moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 502 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la
chambre 502, lesdits moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 51 1 et étant situés à proximité de l'aimant 504 ;
- deux enceintes de récupération non représentées ;
- un condenseur 516 d'eau non dissociée. La chambre 502 est sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc.
La structure magnétique formée par les six aimants permanents 503, 503', 504, 505, 506 et 506' entourant la chambre 502 produit à l'intérieur de la chambre 502 un champ magnétique dont la configuration est une configu- ration à miroir magnétique présentant au moins deux maxima et un minimum de champ magnétique et au moins une zone de résonance (ici une pluralité de zones de résonance représentées par des points blancs 21 localisés sur les lignes de champ 512 et 512').
Les six aimants permanents 503, 503', 504, 505, 506 et 506' sont tels que l'aimantation des aimants 503 et 503' (ayant tous les deux une polarité sud) est 0,7 fois plus faible que l'aimantation des aimants 504 et 505 (ayant tous les deux une polarité nord) et des aimants 506 et 506' (ayant tous les deux une polarité sud).
Grâce à la structure magnétique formée par les six aimants perma- nents 503, 503', 504, 505, 506 et 506', les lignes de champ se divisent en deux séries 512 et 512' de lignes de champ magnétiques de manière à récupérer l'hydrogène et l'oxygène en deux endroits différents grâce aux pièges cryogéniques que nous détaillerons par la suite. Pour cela, il suffit de diminuer, en valeur absolue, la valeur de l'aimantation des aimants 503 et 503' par rapport à l'aimantation des aimants 505, 504, 506 et 506'. Ce faisant, on guide les lignes de champ magnétiques aux endroits où l'on a placé les condenseurs. De par les valeurs d'aimantation choisies, les lignes de champs 512 et 512' iront de l'aimant 504 au niveau duquel sont injectés la vapeur d'eau et les microondes vers les aimants 506 et 506'. La première enceinte de récupération comporte :
- deux parois froides 507 et 513, dont la température est inférieure à 5K, qui piègent l'hydrogène ;
- un condenseur 508 à paroi froide destiné à piéger l'oxygène situé, ledit condenseur 508 interceptant la série 512 de lignes de champ ma- gnétique alors que les parois froides 507 et 513 destinées à piéger l'hydrogène sont placées en dehors de la série 512 de lignes de champ magnétique.
La deuxième enceinte de récupération comporte :
- deux parois froides 507' et 513', dont la température est inférieure à 5K, qui piègent l'hydrogène. un condenseur 508' à paroi froide destiné à piéger l'oxygène situé, ledit condenseur 508' interceptant la série 512' de lignes de champ magnétique alors que les parois froides 507' et 513' destinées à piéger l'hydrogène sont placées en dehors de la série 512' de lignes de champ magnétique.
Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, à chaque passage au voisinage de la zone de résonance, les électrons vont acquérir de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis ioniser au moins partiellement les produits de dissociation. Grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont suivre les électrons sur les lignes 512 et 512' de champ magnétique.
Le condenseur 516 d'eau non dissociée est refroidi, par exemple avec de l'azote liquide (à 77K) de manière à fixer l'eau sous forme de glace (comme déjà expliqué précédemment, il est également possible et plus éco- nomique de récupérer sous forme liquide à quelques 0C). Le condenseur 516 est agencé à proximité de l'aimant 505, en ligne droite par rapport à l'axe AA' d'injection de vapeur d'eau. La vapeur d'eau est injectée au niveau de l'aimant 504 dans la direction AA' parallèle aux lignes de champ magnétique. Il en est de même pour les microondes. De la sorte, la vapeur d'eau qui n'est pas utilisée dans le plasma va directement sur le condenseur H2O 516 pour être recyclée via des moyens de recyclage 517.
Comme dans le cas de la figure 8, les deux enceintes de récupération peuvent être alternativement reliées à la chambre à plasma 502, par exemple par l'intermédiaire d'une vanne tiroir non représentée. Ainsi, pendant que les condenseurs situés au niveau de la première enceinte piègent séparément les particules, la deuxième enceinte est isolée de la chambre à plasma 502 pour régénérer successivement les deux condenseurs.
La figure 10 représente en vue de dessus un huitième mode de réalisation d'un dispositif 600 selon l'invention.
Le dispositif 600 comporte : - une chambre étanche 602 sous vide ;
- six barreaux d'aimants permanents 603, 603', 604, 605, 606 et 606' placés en dehors de la chambre 602; les aimants 603 (pôle sud) et 606 (pôle sud) se font face de part et d'autre de la chambre 602 ; les aimants 604 (pôle nord) et 605 (pôle nord) se font face de part et d'autre de la chambre 602 ; les aimants 603' (pôle sud) et 604' (pôle sud) se font face de part et d'autre de la chambre 602 ;
- des moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 602 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la chambre 602, lesdits moyens d'injection et de propagation étant illus- très par la flèche 61 1 et étant situés à proximité de l'aimant 604 ;
- deux condenseurs 608 et 608' d'oxygène réalisés sous la forme de parois froides agencées en extrémité des lignes de champ magnétiques 612 et 612' ;
- deux condenseurs 609 et 610 à parois froides pour la récupération de l'hydrogène (à une température inférieure à 5K) localisés à proximité de l'extrémité des lignes de champ 612' mais n'interceptant pas les lignes de champ 612'.
- une pompe 613 pour le pompage de l'hydrogène gazeux localisée à proximité de l'extrémité des lignes de champ 612 ;
- une surface de catalyseur 614 placée dans la zone de miroir magnétique, de préférence entre les zones de résonance
La chambre 602 est sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc (typiquement un vide résiduel de 0,1 Pa est suffisant). La structure magnétique formée par les six aimants permanents 603,
603', 604, 605, 606 et 606' entourant la chambre 602 produit à l'intérieur de la chambre 602 un champ magnétique dont la configuration est une configuration à miroir magnétique présentant au moins deux maxima et un minimum de champ magnétique et au moins une zone de résonance (ici une pluralité de zones de résonance représentées par des points blancs 21 localisés sur les lignes de champ 612 et 612').
Les six aimants permanents 603, 603', 604, 605, 606 et 606' sont tels qu'ils présentent une même aimantation et une même dimension.
Grâce à la structure magnétique formée par les six aimants perma- nents 603, 603', 604, 605, 606 et 606', les lignes de champ se divisent en deux séries 612 et 612' de lignes de champ magnétiques de manière à récupérer l'hydrogène et l'oxygène en deux endroits différents. De par les valeurs d'aimantation choisies, les lignes de champs 612 et 612' iront de l'aimant 604 au niveau duquel sont injectés la vapeur d'eau et les mi- croondes vers les aimants 603 et 603' (les lignes vont du nord vers le sud par le plus court chemin dans la mesure où tous les aimants ont la même induction).
Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, à chaque passage au voisinage de la zone de résonance, les électrons vont acquérir de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis ioniser les produits de dissociation. Grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont suivre les électrons sur les lignes 612 et 612' de champ magnétique.
Dans le cas du dispositif 600, l'hydrogène est récupéré de deux façons différentes : Ainsi, au niveau des lignes de champ 612, le condenseur 608 dont la température est de l'ordre de 20-30K piège l'oxygène du plasma. A cette
température, l'hydrogène n'est pas piégé, reste gazeux et peut donc être pompé via les moyens de pompage 613.
Au niveau des lignes de champ 612', le plasma qui suit ces lignes de champ grâce à son électroneutralité, arrive près de la paroi 608' dont la température avoisine par exemple les 20-30K. Toutes les particules sont ainsi piégées hormis l'hydrogène qui restera en phase gazeuse. Les deux condenseurs 609 et 610 à parois froides (à une température inférieure à 5K et différente de la température du condenseur 608') sont placées en dehors de lignes de champ magnétique pour cryocondenser l'hydrogène. Le dispositif 600 ne comporte pas de condenseur d'eau non dissociée mais comporte en plus une surface de catalyseur 614 placée dans la zone centrale de miroir magnétique, de préférence entre les zones de résonance et agencé en ligne droite par rapport à l'axe AA' d'injection de vapeur d'eau. Cette surface de catalyseur est destinée à augmenter l'efficacité de disso- dation de l'eau et l'ionisation des éléments dissociés : elle fixe les molécules d'eau pour augmenter le rendement de dissociation de l'eau par impacts électroniques du plasma sur cette surface. On peut dés lors considérer que la majorité de la vapeur d'eau va être dissociée et qu'un condenseur de récupération d'eau non dissociée n'est pas nécessaire ; la présence du con- denseur de récupération d'eau améliore cependant l'efficacité du dispositif.
Le dispositif 600 comporte par ailleurs des moyens 615 de protection contre le piégeage de l'eau en dehors de la chambre 102
La figure 1 1 représente en vue de dessus un neuvième mode de réalisation d'un dispositif 700 selon l'invention. Le dispositif 700 est sensiblement identique au dispositif 500 de la figure 9 (les moyens en commun entre les dispositifs 200 et 300 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions) ; le dispositif 700 se différencie du dispositif 500 en ce qu'il comporte deux aimants permanents identiques 704 et 705 (deux pôles nord) à la place des aimants permanents 504 et 505. L'aimant 704 se trouve au niveau de l'injection de vapeur d'eau et de microondes 51 1. La largeur des aimants 704 et 705 a été augmentée par rapport à celles des aimants 504 et 505. Dès lors, la taille de
la zone de résonance au niveau de l'injection 51 1 dans le dispositif 700 est plus importante que celle du dispositif 500.
De par la disposition, la taille et la distance séparant les différents aimants 503, 506, 704, 705, 503' et 506', le dispositif 700 selon l'invention permet de générer un plasma à 5 branches : l'injection de vapeur d'eau et des microondes se fait dans une branche, puis le plasma est divisé en quatre branches 712, 712', 712" et 712'" où sont placés les systèmes de récupération d'hydrogène et d'oxygène.
Il y a donc quatre systèmes de récupération d'hydrogène et d'oxygène comportant chacun :
- deux parois froides (respectivement 507 et 513, 507' et 513', 707 et 713, 707' et 713') dont la température est inférieure à 5K, qui piègent l'hydrogène. un condenseur (respectivement 508, 508', 708, 708') à paroi froide destiné à piéger l'oxygène situé, ledit condenseur interceptant la série
(respectivement 712, 712', 712", 712'") de lignes de champ magnétique alors que les parois froides destinées à piéger l'hydrogène sont placées en dehors de la série de lignes de champ magnétique.
La figure 12 représente en vue de dessus un dixième mode de réali- sation d'un dispositif 800 selon l'invention. Le dispositif 800 est un système complet qui occupe toute la chambre à plasma. Les injections microondes sont multiples, tout comme les systèmes de récupération d'hydrogène.
Le dispositif 800 comporte :
- une chambre étanche 802 sous vide ; - six barreaux d'aimants permanents 803, 803', 804, 805, 806 et 806' placés en dehors de la chambre 802 et présentant la même aimantation et les mêmes dimensions; les aimants 803 (pôle sud) et 806 (pôle sud) se font face de part et d'autre de la chambre 602 à une extrémité de celle-ci; les aimants 804 (pôle nord) et 805 (pôle nord) se font face de part et d'autre de la chambre 902 au centre de celle-ci; les aimants
803' (pôle sud) et 804' (pôle sud) se font face de part et d'autre de la chambre 602 à l'autre extrémité de celle-ci;
- des premiers moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 802 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la chambre 802, lesdits premiers moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 81 1 et étant situés à proximité de l'aimant 806' ;
- des seconds moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 802 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la chambre 802, lesdits seconds moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 81 1 ' et étant situés à proximité de l'aimant 803' ;
- des troisièmes moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 802 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la chambre 802, lesdits troisièmes moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 81 1 " et étant situés à proximité de l'aimant 803 ;
- des quatrièmes moyens d'injection de vapeur d'eau dans la chambre 802 et des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence à l'intérieur de la chambre 802, lesdits quatrièmes moyens d'injection et de propagation étant illustrés par la flèche 81 1 '" et étant situés à proximité de l'aimant 806 ;
- un premier condenseur 808 d'oxygène réalisé sous la forme de parois froides agencées en extrémité des lignes de champ magnétiques 812' et 812" ;
- un deuxième condenseur 808' d'oxygène réalisé sous la forme de parois froides agencées en extrémité des lignes de champ magnétiques 812 et 812'";
- une première pompe 813 pour le pompage de l'hydrogène gazeux lo- causée à proximité des lignes de l'extrémité des lignes de champ
812" et 812";
- une deuxième pompe 813' pour le pompage de l'hydrogène gazeux localisée à proximité des lignes de l'extrémité des lignes de champ 812 et 812'";
- quatre surfaces de catalyseur 814, 814', 814" et 814'" placées dans la zone centrale du miroir magnétique.
Grâce à la structure magnétique formée par les six aimants permanents 803, 803', 804, 805, 806 et 806', le dispositif 800 selon l'invention permet de générer un plasma à 6 branches : l'injection de vapeur d'eau et des microondes se fait dans les quatre branches 812, 812', 812" et 812"'au niveau, les deux branches 812' et 812" se rejoignant à l'emplacement où sont placés les systèmes de récupération d'hydrogène et d'oxygène 808 et 813 et les deux branches 812 et 812'" se rejoignant à l'emplacement où sont placés les systèmes de récupération d'hydrogène et d'oxygène 808' et 813'.
On notera que le dispositif 800 ne comporte pas de condenseur d'eau non dissociée mais comporte quatre surfaces de catalyseur 814, 814', 814" et 814'" destinées à augmenter l'efficacité de dissociation de l'eau et l'ionisation des éléments dissociés. On notera en outre que le dispositif 800 comporte deux systèmes de recyclage de l'eau non dissociée (en faible quantité de par la présence des surfaces de catalyseur) utilisant chacun une pompe de recyclage 815 et 815'.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit.
Ainsi, si on souhaite traiter une quantité d'eau plus importante, il est possible d'augmenter les dimensions de l'appareillage tout en veillant à avoir de zones de résonance dans la chambre à plasma.
Il est par ailleurs possible d'utiliser des bobines (supraconductrices ou non) de champ magnétiques pour créer des champs plus intenses.
Même si l'invention a été plus particulièrement décrite pour une fréquence de résonance à 2,45 GHz, on peut bien entendu utiliser des fré- quences microondes plus importantes.
Comme nous l'avons également noté, pour certaines applications et/ou plus d'efficacité du dispositif, il est tout à fait possible de multiplier le nombre de branches du plasma. De la sorte, il est possible d'avoir un dispositif selon l'invention comportant : - soit plusieurs systèmes de récupération d'hydrogène (en phase gazeuse ou non) et d'oxygène ;
- soit plusieurs systèmes de récupération d'eau ;
- soit plusieurs catalyseurs ;
- soit plusieurs systèmes d'injection (microondes et/ou vapeur d'eau) ; ces systèmes pouvant être utilisés en combinaison les uns avec les autres.
Claims
1 . Dispositif (1 ) de production d'hydrogène à partir d'un plasma à la résonance cyclotron électronique comportant : - une chambre étanche (2) sous vide destinée à contenir un plasma,
- des moyens (1 1 ) d'injection de vapeur d'eau dans ladite chambre (2),
- des moyens (1 1 ) d'injection d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre (2),
- une structure magnétique (3, 4, 5, 6) pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre (2) et générer une nappe de plasma suivant les lignes de champ magnétique (12), le module dudit champ magnétique présentant une configuration de miroir magnétique avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique (21 ) pour dissocier au moins partiellement les molécules d'eau introduites en phase vapeur et pour ioniser au moins partiellement les produits de la dissociation, ledit dispositif (1 ) étant caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un condenseur cryogénique (8), placé dans ladite chambre étanche (2), pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation,
- des moyens (7, 13) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par ledit condenseur cryo- génique (8).
2. Dispositif (1 ) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9) de récupération de l'eau non dissociée, les lignes de champ générées par ladite structure magnétique étant courbées par rap- port à l'axe d'injection de la vapeur d'eau, lesdits moyens (9) de récupération de l'eau non dissociée étant sensiblement agencés suivant l'axe (AA') d'injection de la vapeur d'eau.
3. Dispositif (1 ) selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits moyens (9) de récupération de l'eau non dissociée comportent une seconde chambre (9) reliée à ladite chambre à plasma.
4. Dispositif (20) selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée sont formés par un condenseur (16).
5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée sont séparés de ladite chambre à plasma par un dispositif à diaphragme.
6. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système (10) de réinjection de l'eau non disso- ciée en phase vapeur et issue desdits moyens de récupération (9) de l'eau non dissociée.
7. Dispositif (100) selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un grillage (1 18) présentant un maillage permettant d'arrêter la propagation des ondes hautes fréquences de sorte que lesdits moyens (1 16) de récupération de l'eau non dissociée sont agencés dans une zone sensiblement sans plasma.
8. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit condenseur cryogénique (1 ) pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation est à une température comprise entre 6 et 41 K pour une pression moyenne comprise entre 10"3 mbar et 5X10"3 mbar dans ladite chambre (2).
9. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit condenseur cryogénique (8) pour geler l'oxygène est un panneau cryogénique plein ou ajouré.
10. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit condenseur cryogénique (8) pour geler l'oxygène est agencé de façon à intercepter lesdites lignes de champ (12) formées par ladite structure magnétique (3, 4, 5, 6).
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 précédentes caractérisé en ce que ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est un panneau cryogénique qui entoure lesdites lignes de champ formés par ladite structure magnétique.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte apte à récupérer l'oxygène lorsque ledit condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est régénéré par élévation de température.
13. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens (120) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent une pompe servant à pomper l'hydrogène en phase gazeuse.
14. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens (7, 13) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène, ledit condenseur cryogénique étant à une température infé- rieure à la température dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène, ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène étant disposé de façon à piéger l'oxygène avant que ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène ne piège l'hydrogène.
15. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte : - un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène apte à être régénéré par élévation de température ;
- une enceinte apte à récupérer l'hydrogène lorsque ledit condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène est régénéré par éléva- tion de température.
16. Dispositif (400) selon la revendication 15 caractérisé en ce qu'il comporte :
- une première enceinte (408) incluant : « un premier condenseur cryogénique (108) pour geler l'oxygène ;
• un premier condenseur cryogénique (207, 213) pour geler l'hydrogène ;
- une deuxième enceinte (407) incluant : « un deuxième condenseur cryogénique (108') pour geler l'oxygène ;
• un deuxième condenseur cryogénique (207', 213') pour geler l'hydrogène ; chacune desdites première et deuxième enceintes (408, 407) étant aptes à récupérer l'oxygène et l'hydrogène indépendamment l'une de l'autre par régénération, ladite régénération se faisant par élévation progressive de la température pour que l'hydrogène passe d'abord en phase gazeuse et soit récupéré et l'oxygène passe ensuite en phase gazeuse et soit récupéré.
17. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16 caractérisé en ce que ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène comporte au moins un panneau cryogénique plein ou ajouré.
18. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 17 caractérisé en ce qu'il comporte un grillage polarisé placé en avant, par rapport au plasma, dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène et/ou du- dit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène.
19. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 17 caractérisé en ce que ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène et/ou ledit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène sont aptes à être polarisés négativement pour repousser les électrons vers le plasma.
20. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens (7, 13) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation sont agencés pour ne pas intercepter lesdites lignes de champ magnétique (12).
21. Dispositif (300) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins une surface de catalyseur (301 ) pour fixer les molécules d'eau et augmenter le rendement de dissociation de l'eau par impacts électroniques du plasma sur ladite surface.
22. Dispositif (300) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite surface de catalyseur (301 ) est placée dans la zone de miroir magnétique, de préférence entre les zones de résonance.
23. Dispositif (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite structure magnétique comporte des aimants permanents (3, 4, 5, 6).
24. Dispositif (1 ) selon la revendication 23 caractérisé en ce que la struc- ture magnétique comporte des aimants permanents (4, 5) dont les pôles qui se font face dans la zone d'injection de la vapeur d'eau sont de même nature.
25. Dispositif selon l'une des revendications 23 à 24 caractérisé en ce que la structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles qui se font face, dans la zone de récupération de l'hydrogène sont de même sens, les valeurs d'aimantation de ces aimants étant soit identiques soit différentes.
26. Dispositif selon l'une des revendications 23 à 24 caractérisé en ce que la structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles qui se font face, dans la zone de récupération de l'hydrogène sont de sens opposé.
27. Dispositif selon l'une des revendications 23 à 26 caractérisé en ce que l'aimant permanent situé dans la zone d'injection de la vapeur d'eau est de même polarité que l'aimant situé dans la zone de récupération de l'hydrogène.
28. Dispositif selon l'une des revendications 23 à 27 caractérisé en ce que la structure magnétique comporte des aimants permanents de tailles différentes et présentant soit une même aimantation soit des aimantations différentes.
29. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure magnétique comporte des bobines à température ambiante et/ou des bobines supraconductrices à basse ou haute température critique, dites bas ou haut Tc.
30. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée desdits moyens de propagation d'une onde haute- fréquence à l'intérieur de ladite chambre est placée dans un champ magné- tique dont le module est supérieur au module du champ magnétique de résonance pour que le plasma diffuse vers la chambre et éviter ainsi des impacts du plasma sur ladite fenêtre.
31. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport miroir entre les maxima de champ magnétique dudit miroir magnétique et le minimum de champ magnétique dudit miroir magnétique est strictement supérieur à 1 et préférentiellement supérieur à 3.
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