FR2960559A1 - Installation de production d'hydrogene a haute disponibilite par electrolyse d'eau - Google Patents

Abstract

Installation de production d'hydrogène comprenant : - M modules de production d'hydrogène (88-90) comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse (10), - une pluralité d'alimentations électriques (60), chacune reliée à un module (48-88-90) qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité, caractérisée en ce que certaines au moins des alimentations électriques sont dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal.

Description

CETH2.FRD 1 Installation de production d'hydrogène à haute disponibilité par électrolyse d'eau L'invention concerne des équipements électrolyseurs d'eau, générateurs d'hydrogène et d'oxygène, destinés à de nombreuses applications industrielles. Les applications de l'hydrogène concernent notamment l'alimentation de synthétiseurs de produits chimiques, le remplissage des réservoirs de combustible de véhicules à moteur, le dopage du gaz naturel, le stockage d'énergie pour générateurs électriques intermittents et le refroidissement de gros alternateurs. L'oxygène est généralement un sous-produit. Pour satisfaire certaines de ces applications, ces équipements doivent avoir une puissance importante, une grande flexibilité et une haute fiabilité. Une puissance importante (typiquement 100 Nm3/h) demandée à de tels équipements leur impose de comporter plusieurs centaines de cellules d'électrolyse. Une grande flexibilité signifie la capacité à pouvoir rapidement répondre à toute exigence de production de leur système utilisateur. Et, une haute fiabilité signifie qu'ils sont capables de fonctionner très longtemps (plusieurs semaines de suite) d'une manière autonome, en gérant tout problème présenté par chacune de leurs cellules. Une cellule d'électrolyse de l'eau produit deux gaz, hydrogène et oxygène, évacués dans deux mélanges liquide+gaz. Cette production est faite en réponse à un courant électrique continu important, circulant entre deux électrodes planes verticales, dans un électrolyte alcalin ou acide. Un électrolyte alcalin est un liquide, un diaphragme approprié séparant les électrodes. Dans le cas d'un électrolyte acide, celui-ci est généralement une membrane à échange de protons (PEM), prise en sandwich entre les électrodes. Dans ce cas également, cet électrolyte peut aussi être un liquide acide, une céramique mince appropriée séparant les électrodes, Dans tous les cas, les cellules d'électrolyse sont formées entre deux plaques bipolaires permettant leur mise en série et les électrodes, anode et cathode, sont de forme circulaire ou rectangulaire. Dans les équipements industriels, objets de la présente invention, la surface unitaire de ces électrodes est généralement de quelques dizaines de décimètres carrés. Dans les cellules d'électrolyse de l'eau, de part et d'autre des séparations internes (diaphragme, céramique ou membrane), deux compartiments jointifs étroits, généralement occupés par des grilles, sont de la sorte aménagés entre deux plaques bipolaires, avec des parois externes en matériau isolant souple formant joints d'étanchéité. Dans le cas de cellules à électrolyte liquide, les grilles sont isolantes et les deux électrodes sont également les plaques bipolaires. Dans le cas de cellules à membrane PEM, l'architecture est différente, les électrodes sont perméables et directement appliquées sur la membrane, des grilles conductrices immergées dans l'eau assurant la liaison électrique des électrodes et des plaques bipolaires. Dans les cellules à électrolyte alcalin, les électrodes sont généralement en acier doux et dans celles à électrolyte acide, elles sont en titane. Dans les cellules à membranes PEM, les plaques bipolaires, les grilles et les électrodes sont en titane et, plus précisément, en titane fritté pour les électrodes. Un fin dépôt catalytique, (généralement du platine pour un électrolyte acide et du nickel pour un alcalin), est réalisé sur les électrodes ou sur la membrane PEM des cellules. Chacun des deux compartiments d'une cellule a une entrée basse pour le liquide concerné et une sortie haute pour le mélange liquide+gaz produit, entrée et sortie étant toutes deux aménagées dans les parois externes isolantes.

Un module d'électrolyse est un empilement serré de plusieurs dizaines de cellules montées en série. Dans cet empilement, un ou plusieurs conduits distributeurs de liquide et un ou plusieurs conduits collecteurs des mélanges liquide+gaz, produits en parallèle par chaque cellule, sont aménagées étanches, à travers les plaques bipolaires et les parois externes souples des deux compartiments de toutes les cellules du module. Ce ou ces conduits sont raccordés à une ou plusieurs entrées de chaque compartiment. A chaque module est associé un générateur électrique à courant continu fort (centaines d'Ampères), un réservoir d'eau pure et une unité de traitement de fluides comprenant deux chambres de séparation pour les deux mélanges liquide+gaz, respectivement produits dans les compartiments de cathode et d'anode. Les deux chambres de séparation opèrent par gravité et elles ont chacune une entrée haute et deux sorties, haute pour le gaz et basse pour le liquide résiduel. Le liquide résiduel, présent au fond de chaque chambre de séparation, retourne finalement dans le compartiment qui l'a alimentée. Les sorties hautes des chambres de séparation sont reliées aux réseaux d'utilisation des deux gaz produits, H2 et 02. Une vanne à ouverture réglable, placée en sortie de la chambre produisant H2, détermine la pression d'extraction de ce gaz.

Une cellule d'électrolyse de l'eau est un circuit électrique actif, doté d'une résistance interne et d'une tension de polarisation. Cette tension a pour valeur 1,48 V à 25°C, c'est la tension enthalpique d'électrolyse de l'eau liquide. Plusieurs paramètres interviennent dans le circuit électrique formé par une cellule d'électrolyse, et notamment la température qui augmente très légèrement la tension de polarisation et favorise notablement la réaction électrochimique tout en augmentant un peu la résistivité des composants métalliques (plaques bipolaires, électrodes). Dans ces conditions, pour produire un débit donné de H2 correspondant à une densité de courant (A /cm2 d'électrodes) déterminée, si la température augmente dans sa plage autorisée, la cellule a besoin d'une tension d'alimentation légèrement plus basse et donc d'une puissance électrique plus faible. Ce qui est bénéfique. Le débit d'hydrogène d'un module d'électrolyse est proportionnel à la surface active des cellules, au nombre de cellules qu'il comporte et à l'intensité du courant continu qui les traverse. Pour produire un débit donné, un pilote automatique calcule la valeur optimale de cette intensité. Chaque cellule possède une courbe courant / tension qui dépend de la température et de l'état de son dépôt catalytique (densité et pureté, surface effective). Dans une cellule à électrolyte acide, l'eau est oxydée à l'anode selon la demie réaction suivante : [H2 O => 1/2 02 + 2 H+ + 2 e-]. L'eau étant ainsi dissociée, c'est dans le compartiment d'anode que le niveau d'eau diminue. Les protons migrent à travers la membrane PEM ou la céramique de séparation des électrodes, sous l'effet du champ électrique et ils viennent se réduire à la cathode, selon la demie réaction suivante : [2 H+ + 2 e- => H2]. Il est à noter que les protons qui migrent à travers la membrane PEM sont généralement solvatés et, de ce fait, un transfert d'eau, appelé flux électroosmotique, est établi de l'anode vers la cathode. Quant au niveau de liquide dans le compartiment d'anode, il diminue pour deux raisons: (1) la dissociation de l'eau et donc sa "consommation" et (2) le flux des molécules d'eau emmenées par les protons, dans le cas des membranes PEM. En conséquence, seule la chambre de séparation du mélange liquide+02 reçoit l'eau pure d'alimentation de l'appareil puis l'adresse, mélangée à son liquide résiduel, au compartiment d'anode. De son côté, le liquide résiduel de la chambre de séparation du mélange liquide+H2 retourne au compartiment de cathode. Une électrovanne, commandée par le pilote automatique, placée entre les deux chambres de séparation, permet de transférer du liquide de la chambre cathodique à la chambre anodique. Dans le cas d'une cellule à électrolyte alcalin, l'eau est oxydée à la cathode selon la demie réaction suivante : [2 H2O + 2 e- => H2 + 2 OH-]. L'eau étant ainsi dissociée, c'est dans le compartiment de cathode que le niveau d'eau diminue. Les hydroxydes (OH-) migrent de la cathode à l'anode sous l'effet du champ électrique et viennent se réduire à l'anode selon la demie réaction [2 OH- _> 1/2 02 + H2O + 2 e-]. Dans ces conditions, une consommation d'eau est réalisée à la cathode et, inversement, une production d'eau est effectuée à l'anode. De ce fait, le niveau de liquide dans le compartiment de cathode diminue et celui du compartiment d'anode augmente. Une électrovanne, placée entre les deux chambres de séparation des mélanges liquide+gaz, peut permettre de compenser cette évolution en sens inverse. Le rendement d'une cellule d'électrolyse (typiquement 80%) est limité du fait des pertes liées aux réactions électrochimiques et aux chutes ohmiques. Ce qui entraîne une augmentation continue de sa température. Dans des modules produisant moins de 1 Nm3/h, la convection naturelle suffit à maintenir la température autour de 70°C. Dans les systèmes de plus grande capacité, il est impératif de réguler la température, car celle-ci ne doit pas dépasser 90°C, sous peine de détruire certains composants (joints, membranes...). Une température moyenne proche de 70°C étant considérée comme quasi optimale, la température du liquide alimentant le conduit distributeur de liquide des compartiments d'anode et de cathode des cellules d'un module, est régulée et maintenue dans une plage notablement plus basse que cette valeur optimale, par un asservissement binaire simple (retrait de calories) ou double (retrait et apport de calories) dans les régions à grands écarts thermiques.

Dans tout équipement d'électrolyse, pour être assuré que tout fonctionne correctement, il est nécessaire que l'eau utilisée ait une pureté minimale, que le débit de cette eau soit en accord avec la production d'hydrogène demandée, que le générateur électrique fournisse un courant continu adapté à cette production et que la pression d'extraction des deux gaz produits soit conforme à celles voulues par l'utilisateur. Ces différentes exigences concernent en fait des paramètres externes aux cellules qui influencent leur mode opératoire, leurs performances et leur durée de vie. Plusieurs équipements connus ont été développés pour assurer au mieux ces différentes fonctions. Quand ces différents paramètres externes ont leurs valeurs de consigne, les cellules d'électrolyse de type alcalin ou acide ont des plages de valeurs déterminées pour leurs paramètres internes : tension de polarisation (démarrage d'électrolyse), tension nominale de fonctionnement, tension maximale autorisée, et densités du courant d'électrolyse. Pour des cellules à électrolyte acide ou alcalin, ces plages sont les suivantes : tension de polarisation (1,48 Volt), densités de courant extrêmes (10 mA/cm2 et 3 A/cm2 d'électrodes), tension opératoire nominale (environ 2 Volts), tension maximale possible (3 Volts) et température de consigne, généralement relativement basse et comprise entre 65 et 80°C. En pratique toutefois, les conditions optimales de fonctionnement d'un équipement électrolyseur formé par des modules de quelques dizaines de cellules d'électrolyse, en principe parfaitement alimenté en eau pure et en tension et courant électriques de bonnes valeurs, ne durent pas aussi longtemps que le souhaiterait le constructeur. Et, les tensions électriques aux bornes de cellules et/ou les températures des deux mélanges liquide+gaz produits, sortent de leurs plages de consigne. En effet, chacun des paramètres externes et internes visés plus haut peut, à un moment donné et pour des raisons diverses, ne plus être conforme à sa valeur de consigne. Ce qui entraîne toujours des déficiences locales de fonctionnement d'une ou de plusieurs cellules de l'équipement. Dans certains cas, les lignes de courant électrique qui circulent dans les cellules ne sont plus homogènes, des courts-circuits et/ou des coupures de circuit localisés apparaissant dans les électrodes et/ou dans l'électrolyte. Cela peut avoir pour cause des défauts cachés de fabrication de l'électrolyte alcalin ou acide utilisé ou encore des sédiments, isolants ou conducteurs, produits à la longue et accumulés dans le liquide présent dans un compartiment de la cellule. Dans le cas où plusieurs cellules d'un module ont un état de fonctionnement insuffisant ou dans le cas où l'une de ces cellules passe dans un état grave de mauvais fonctionnement, la production d'hydrogène diminue et peut atteindre une cote d'alerte, que l'utilisateur détecte en général assez facilement, grâce à une mesure de l'intensité du courant continu circulant dans le module. Ce qui doit entraîner l'arrêt immédiat du module d'électrolyse. Plus le nombre de cellules d'un équipement électrolyseur est important, plus il est difficile de construire des équipements autonomes, susceptibles de produire de très importants débits d'hydrogène (jusqu'à quelques centaines de Nm3/h) avec une très haute fiabilité. Par ailleurs, en cas de déficience de quelques cellules ou de quelques modules, le débit d'hydrogène de l'équipement électrolyseur diminue. Ce qui peut conduire à des situations très gênantes dans le cas où le système utilisateur de l'hydrogène produit par cet équipement nécessite un débit constant.

Le premier objet de l'invention est de construire des équipements électrolyseurs d'eau, générateurs d'hydrogène et d'oxygène opérant sous le contrôle d'un pilote automatique, adaptés à continuer de fonctionner en toute autonomie, malgré les déficiences de quelques composants. Le second objet de l'invention est de construire des équipements électrolyseurs d'eau, générateurs d'hydrogène et d'oxygène opérant sous le contrôle d'un pilote automatique, adaptés à continuer de fonctionner en toute autonomie, en alliant le cas échéant forte puissance et grande fiabilité, malgré les déficiences d'un petit nombre de ses cellules d'électrolyse.

Selon l'invention, un équipement électrolyseur d'eau, de type alcalin ou acide, opérant 20 sous le contrôle d'un pilote automatique, pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène, est caractérisé en ce que : - il comprend M modules de N cellules d'électrolyse, leurs M alimentations électriques et une unité de traitement de fluides; - il comporte des moyens pour relever des données représentatives de l'état fonctionnel 25 de chacune de ces cellules et/ou de chacun de ces modules ; - le pilote est programmé pour gérer ces relevés, analyser les données collectées et détecter leurs déficiences éventuelles puis élaborer des instructions pour que cet équipement puisse automati-quement pallier les déficiences de ces cellules et/ou de ces modules, et ainsi maintenir constant le débit global de gaz produit. Selon une caractéristique complémentaire des précédentes, les instructions élaborées par le pilote automatique pour pallier les déficiences d'une cellule et/ou d'un module sont 5 des signaux de commande : (a) soit pour fonctionnellement retirer cette cellule et/ou ce module déficient de cet équipement ; (b) soit pour diminuer le débit d'hydrogène du module déficient ; (c) et, dans l'un ou l'autre cas, pour compenser ce retrait ou cette diminution par une 10 augmentation des débits individuels d'hydrogène des autres cellules et/ou des autres modules de l'équipement. Grâce à ces dispositions, selon l'invention, la détection d'un défaut ou d'une déficience d'une cellule d'électrolyse et/ou d'un module conduit à laisser en son état du moment cette cellule et/ou ce module (en fait, à le contourner) mais à le retirer fonctionnellement 15 de l'équipement (en supprimant son alimentation électrique) ou à diminuer cette alimentation, sans avoir à mettre en oeuvre le moindre moyen particulier pour physiquement réparer cette cellule et/ou ce module. Ce retrait est automatique dans la plupart des cas. Ce qui distingue l'invention de toute autre solution antérieure, décrite dans plusieurs brevets, qui consiste à détecter un défaut particulier et à physiquement le 20 réparer par une intervention humaine (notamment à l'aide de moyens mécani-ques) pour remettre en un état plus ou moins normal la cellule ou le module concerné.

Selon une première caractéristique complémentaire des précédentes, cet équipement électrolyseur comprend des moyens pour relever les tensions électriques entre les deux 25 électrodes de chacune des N cellules de chacun des M modules. Selon une deuxième caractéristique complémentaire des précédentes, cet équipement électrolyseur comprend des moyens pour relever la température de l'un des mélanges liquide+gaz produit par chacun des M modules.

Selon une caractéristique particulière de la précédente, une sonde de température est d'une part, immergée dans le mélange liquide+gaz sortant de l'un des deux collecteurs d'évacuation des mélanges produits par le module et, d'autre part, reliée à l'entrée du pilote automatique.

Selon l'invention, cet équipement électrolyseur est en outre caractérisé en ce que : - les (N+1) plaques bipolaires des N cellules de chacun des M modules sont reliées à (N+1) bornes d'entrée d'un multiplexeur connecté au pilote automatique ; - ce pilote automatique comporte un ensemble de programmes incorporant : (a) un programme (A) pour gérer les relevés, la numérisation et l'identification des 10 données; (b) un programme (B) pour comparer ces données relevées à des données de référence, directement ou après traitement approprié, et, le cas échéant, diagnostiquer la présence d'un défaut particulier, dans une cellule et/ou un module déterminé. En pratique, un tel multiplexeur reçoit des données analogiques et, géré par le pilote 15 automatique, il produit des données analogiques ou numériques en fonction de l'emplacement du convertisseur analogique/numérique utilisé. Ce convertisseur peut en effet être incorporé soit au multiplexeur soit au pilote. Par ailleurs, le multiplexeur peut comporter plusieurs groupes de (N+1) entrées et, de ce fait, être adapté à traiter les données fournies par plusieurs modules (deux ou trois par exemple). 20 Grâce à ces dispositions, des paquets de N données variables, représentatives à tout instant de l'état fonctionnel de chacune des N cellules de chacun des M modules de l'équipement électrolyseur, sont périodiquement transmis au pilote automatique. A cet effet, les multiplexeurs interviennent l'un après l'autre pour interroger l'une après l'autre chacune des N cellules de chacun des M modules de l'équipement. Et pendant ce 25 cycle, le pilote reçoit les unes après les autres, chacune des M.N données ainsi relevées. Les signaux numériques finalement produits sont codés par les coordonnées (m, n) des M.N cellules de l'équipement et représentatifs des états fonctionnels de chacune. Il en est de même pour les températures des modules. Le programme (B) du pilote analyse ces données en les comparant à des données de référence, directement ou après traitement préalable, et, le cas échéant, il produit des signaux signifiant la présence d'un ou de plusieurs défauts ou déficiences, dans l'une ou plusieurs de ces M.N cellules et/ou dans l'un ou plusieurs de ces M modules. Selon des caractéristiques complémentaires de l'invention, - le programme (B) du pilote produit un signal de déficience majeure, afférent à une cellule (n, m) d'un module, lorsque la tension, entre les électrodes de cette cellule, est nulle ou insuffisamment supérieure à sa tension de polarisation (typiquement 1,5 V) ; - le pilote comporte un programme (C) pour produire : (a) un signal de commande d'arrêt du débit individuel du module concerné (m), destiné 10 à un variateur de tension, incorporé à l'alimentation électrique de ce module ; (b) des signaux de commande d'augmentation appropriée des débits individuels de gaz des autres modules pour reporter sur ces modules la charge de maintenir le débit total d'hydrogène produit au niveau imposé par l'opérateur. On notera tout d'abord qu'une telle décision de déficience majeure, dans le cas d'une 15 tension trop faible entre électrodes, est fondée sur la dangerosité d'une telle situation. En effet, cette situation est due à un quasi court-circuit local, notamment du fait d'une perforation locale de la membrane PEM ou d'un sédiment conducteur dans son eau ou dans le liquide alcalin ou acide. Ce qui peut arriver notamment du fait d'un défaut de fabrication de l'un des composants ou de pureté de l'eau utilisée, qui demande une 20 durée d'électrolyse plus ou moins longue pour se manifester. Dans ce cas, la majeure partie du très fort courant (centaines d'Ampères) qui traverse cette perforation ou ce sédiment, à résistance électrique non nulle, peut provoquer un échauffement important de toute la zone concernée. Ce qui est dangereux et donc inacceptable dans un milieu contenant un mélange d'hydrogène et d'oxygène. 25 Grâce aux dispositions précédentes, l'équipement électrolyseur réagit d'une manière autonome à une situation urgente, pour fonctionnellement éliminer de l'installation le module déficient et pour compenser cette élimination en reportant rapidement la charge du débit d'hydrogène sur les modules en bon état de marche.

Selon des caractéristiques complémentaires, - le programme (B) du pilote produit également un signal de déficience mineure afférent à un module particulier (m), (a) lorsque la tension, entre les électrodes d'une cellule (n) de ce module (m), atteint une valeur maximale donnée, fixée par le constructeur (typiquement 2,5 V) ; (b) ou lorsque la température d'un mélange liquide+gaz d'un module (m) atteint une valeur maximale donnée, fixée par le constructeur (typiquement 80°C) ; - le pilote comporte un programme (D) pour produire, en réponse à un tel signal de déficience mineure : (a) un signal de commande de diminution appropriée du débit individuel d'hydrogène du module concerné, destiné à un variateur de tension incorporé à l'alimentation électrique de ce module ; (b) à l'intention des autres modules de l'équipement, des signaux de commande d'augmentation appropriée de leurs débits individuels d'hydrogène, destinés aux variateurs de tension de ces autres modules, pour reporter sur ces modules la charge de maintenir le débit total d'hydrogène produit, au niveau imposé par l'opérateur. Grâce à ces dispositions, une déficience mineure d'une cellule et/ou d'un module de l'équipement électrolyseur est immédiatement corrigée, par une diminution notable appropriée du débit d'hydrogène du module concerné et par une légère augmentation des débits des autres. Selon des caractéristiques complémentaires des précédentes, le pilote comporte un programme (E) : (a) pour permettre aux étapes fonctionnelles définies ci-dessus, de se répéter aussi longtemps que les débits individuels d'hydrogène, demandés aux modules concernés, demeurent compris dans la plage définie par les débits individuels extrêmes, minimal et maximal, fixés par le constructeur, ces deux débits correspondant à des densités extrêmes de courant électrique, typiquement égales à 10 mA /cm2 et 3 A /cm2. (b) pour commander les diminutions des débits individuels d'hydrogène des modules à déficience mineure, de préférence par paliers normalisés, chaque palier correspondant typiquement à une densité de courant de 0,1 A/cm2, (c) pour considérer cette déficience mineure comme une déficience majeure et commander l'arrêt de l'alimentation électrique du module concerné, au cas où la diminution du débit individuel d'hydrogène de ce module abaisserait ce débit en deçà du débit minimal imposé. Grâce à l'ensemble de ces dispositions, un équipement électrolyseur, perfectionné selon l'invention, maintient constant le débit total de H2 demandé par le système utilisateur, en faisant travailler chacun des modules le plus longtemps possible et dans les meilleures conditions : débits individuels réduits pour les uns et accrus pour les autres, de façon à augmenter au mieux la fiabilité de l'équipement. En effet, avec une très haute fiabilité, c'est-à-dire avec un taux probable d'indisponibilité particulièrement faible (typiquement < 0,1% sur un an), un tel équipement électro-lyseur, comprenant un nombre suffisant de modules, est constamment capable de fournir le débit total d'hydrogène très élevé (typiquement 100 à 200 Nm3/h), susceptible d'être demandé par le système utilisateur. Et cet état de choses demeure aussi longtemps que les M modules de cet équipement ne sont pas répartis en deux groupes en situations extrêmes, à savoir un groupe de modules opérant chacun à un débit individuel proche du débit maximal fixé par le constructeur et un groupe de modules à l'arrêt complet. Selon l'invention, un tel équipement électrolyseur, générateur d'hydrogène, est en outre caractérisé en ce que : - un réservoir de stockage d'hydrogène, de capacité appropriée, lui est associé pour pallier toute insuffisance temporaire de production ; - des électrovannes, à débits individuels programmables, sont installées entre ce réservoir et le système utilisateur concerné ; - le programme (E) du pilote a également pour fonctions : (a) de notablement abaisser (typiquement de 20%) le débit individuel d'hydrogène de chacun de ces modules en état de marche, lorsque tous ces modules opèrent à débits individuels proches (typiquement 5%) du débit maximal autorisé ; (b) de simultanément commander ces électrovannes et raccorder ce réservoir d'hydrogène au système utilisateur, afin de maintenir constant le débit d'hydrogène alimentant ce système ; (c) pour signaler cette situation nouvelle sur l'écran du pilote. Grâce à ces dispositions, dans un équipement électrolyseur au bord de la saturation, son réservoir de stockage d'hydrogène associé entre en jeu, afin que toute nouvelle détection d'un module déficient ne puisse amener un ou plusieurs des autres modules de l'équipement à opérer au-delà des limites imposées par le constructeur. Cette situation particulière est signalée sur l'écran du pilote. Et les ingénieurs et les techniciens du constructeur, préposés au service de maintenance de l'équipement, sont alors invités à remplacer tous les modules déficients mis à l'arrêt, par des modules en parfait état.

Pendant l'intervalle de temps compris entre la détection de cette nouvelle déficience et l'arrivée de ces spécialistes sur le site, le débit du réservoir de stockage compense la diminution générale du débit total de H2 imposé à l'équipement. Pendant toute la durée (typiquement quelques heures) de l'intervention de ces spécialistes, l'équipement électrolyseur est à l'arrêt total (ou, si l'installation le permet, seulement le module déficient) et le réservoir de stockage fournit la totalité du débit de H2 demandé par le système utilisateur. Lorsque le remplacement des modules en état de déficience majeure est terminé, l'opérateur donne instruction au pilote automatique de remettre en marche l'équipement électrolyseur et de déconnecter le réservoir de stockage du système utilisateur concerné. Le programme standard du pilote (non précisé ici) intervient pour exécuter ces instructions. Pendant la première période de cette remise en marche, l'équipement fonctionne à débit total majoré, le surplus étant utilisé pour réapprovisionner le réservoir de stockage, lequel est alors une annexe du système utilisateur. Dès que ce réservoir est à nouveau rempli de H2, une seconde période commence, pendant laquelle chacun des modules de l'équipement électrolyseur opère à débit nominal pour fournir au système utilisateur le débit total demandé. A ce moment, on retrouve les conditions initiales de mise en route de l'équipement électrolyseur perfectionné selon l'invention. Et, l'on peut constater que, depuis cette première mise en route, malgré les déficiences mineures ou majeures de plusieurs modules, successivement corrigées, le système utilisateur de l'hydrogène produit par cet équipement, a constamment été correctement alimenté, conformément aux objectifs de l'invention. Selon une caractéristique complémentaire de l'invention, - un réservoir de stockage d'oxygène, doté d'électrovannes à débits individuels programmables, est également associé à l'équipement électrolyseur d'eau; - le pilote comporte un programme pour commander ces électrovannes afin d'ajuster le 10 débit complémentaire d'oxygène qui pourrait être demandé. Grâce à cette disposition, il est possible de satisfaire, avec la plus grande fiabilité, la double exigence de certains systèmes utilisateurs particuliers, opérant en continu. Il en est notamment ainsi dans les unités industrielles réalisant la synthèse ou la destruction de certains produits chimiques et dans les systèmes de production continue d'électricité, 15 opérant à partir de tous générateurs intermittents, notamment d'éoliennes et/ou de panneaux photovoltaïques. Dans de tels systèmes, le stockage complémentaire de l'oxygène, produit par l'équipement électrolyseur d'eau selon l'invention, permet de notablement améliorer le rendement des piles à combustible, alimentées par l'hydrogène produit par cet équipement. Par ailleurs, pour ce qui concerne ces générateurs 20 intermittents d'électricité, on notera que dans les régions isolées, alimentées par ces seules sources d'énergie, il est aisé d'adapter le nombre de modules en fonctionnement d'un équipement électrolyseur, à la puissance électrique moyenne, fournie à un moment donné par ces éoliennes et ces panneaux photovoltaïques. Selon des caractéristiques générales complémentaires de l'invention, le pilote comporte 25 un programme (F), (a) pour répartir le nombre M de modules de cet équipement électrolyseur en deux groupes fonctionnels de modules, un premier groupe de modules opérant à débits individuels nominaux et un second, à débits individuels nuls, le nombre initial de modules dans le second groupe étant typiquement cinq à dix fois inférieur à celui du premier groupe ; (b) pour affecter au premier groupe, un nombre approprié de modules, et adresser à chacun d'eux, en réponse à une instruction de l'opérateur, une commande de débit individuel correspondant typiquement à une densité de courant proche de 0,5 A/cm2, afin de produire le débit total d'hydrogène demandé par le système utilisateur; (c) pour émettre, à intervalles de temps régulier relativement long (typiquement chaque semaine), un signal de commande imposant à chaque module en parfait état du second groupe de prendre la place d'un module en parfait état du premier groupe et, simultanément, à celui-ci de remplacer celui-là. Selon des caractéristiques particulières complémentaires des précédentes, le pilote comporte un programme (G), intervenant lorsque une déficience majeure affecte un module du premier groupe : (a) pour commander au module concerné de passer à l'arrêt ; (b) pour commander à un module du second groupe de remplacer dans le premier groupe ce module mis à l'arrêt et transféré dans le second ; (d) pour commander à tous les modules du premier groupe ainsi reconstitué, d'ajuster leurs différents débits individuels afin qu'ils soient autant que possible uniformes. Grâce à ces nouvelles dispositions, une fiabilité maximisée est attendue de l'équipement selon l'invention, du fait que les M modules qu'il comporte connaissent des pauses périodiques relativement longues et donc fatiguent moins. Ce qui bien évidemment minimise la probabilité de déficiences de tous ces modules du fait que le débit total demandé à l'équipement est avantageusement assuré par étapes successives. En effet, la durée de fonctionnement normal ordinaire de l'équipement est augmentée, grâce à la répartition fonctionnelle du nombre total M de modules en deux groupes. Dans ces conditions, les modules du second groupe (leur nombre est typiquement de 10 à 20% du nombre M, lui-même généralement compris entre 5 et 30), interviennent comme des modules de secours, prêts à automatiquement remplacer un module déficient à l'arrêt, fonctionnellement retiré du premier groupe. Grâce à cette répartition, les modifications en plus ou en moins des débits individuels des modules se font par étapes à niveaux réduits puisque l'élimination fonctionnelle d'un module est, dans la plupart des cas de déficience majeure, précédée d'au moins une étape intermédiaire de déficience mineure. En outre, du fait que chaque module du second groupe est périodiquement transféré dans le premier en remplacement d'un module en bon état de ce groupe, cette commutation périodique (typiquement chaque semaine) lui évite une dégradation dans le temps de sa capacité à produire le débit individuel important qui pourra lui être demandé. Selon l'invention, un tel équipement électrolyseur est en outre caractérisé en ce que : - le nombre M de modules de l'équipement pouvant être quelconque, notamment de 1, chaque module à N cellules est composé de P petits groupes de Q cellules (typiquement de 3 à 10 pour Q, avec N = P.Q), chaque groupe étant identifié par ses coordonnées (p, m) et séparé des groupes contigus par des plaques bipolaires spécifiques ; - chacun des P groupes de cellules comporte un relais de court-circuit, manuel ou 15 automatique, entre ses plaques bipolaires spécifiques ; - le pilote automatique comporte un programme (H) : (a) pour affecter à l'un des P groupes de cellules composant un module, les tensions relevées entre les électrodes de l'une ou l'autre de ses Q cellules ; (b) pour identifier par ses coordonnées (p, m) tout groupe comportant une cellule 20 présentant une déficience ; (c) pour commander l'arrêt d'au moins le module (m) concerné et pour signaler cette situation nouvelle sur l'écran du pilote de l'équipement, lorsque les relais de court-circuit des P groupes des M modules sont manuels ; (d) pour commander le relais de court-circuit du groupe de cellules de coordonnées (p, 25 m), lorsque les P relais de court-circuit des P groupes des M modules sont automatiques ; (e) pour commander au variateur de tension concerné d'augmenter la tension fournie par le générateur électrique du module (m), afin de compenser l'élimination fonctionnelle du ou des groupes de cellules incluant une cellule déficiente ; (f) pour commander l'arrêt d'un module particulier, lorsque le pourcentage de groupes de cellules court-circuités, atteint un seuil déterminé par le constructeur. Selon des caractéristiques particulières complémentaires des précédentes, - les (P+1) plaques bipolaires spécifiques des P groupes de cellules des M modules sont des disques ou des rectangles à haute conductance électrique, dotés de deux raccords débordants, diamétralement ou diagonalement opposés ; - le pied d'une pièce intermédiaire en forme de T, à haute conductance électrique, est attaché à chacun de ces raccords débordants, les barrettes de ces T sont alignées et un écart est aménagé entre les extrémités des barrettes de deux pièces intermédiaires voisines ; - deux chevilles à haute conductance électrique sont adaptées à être automatiquement ou manuellement insérées dans ces écarts, pour constituer un relais de court-circuit. Grâce à ces dispositions, le pilote automatique programmé par le constructeur détecte l'état déficient de tout groupe (p) de cellules du module (m). Lorsque les relais de court-circuit de ces groupes sont manuels, cet état de choses apparaît sur l'écran de ce pilote. Puis le pilote intervient pour arrêter l'alimentation électrique du module, afin d'assurer la sécurité de l'opérateur et d'empêcher la production de toute étincelle dangereuse au moment du court-circuit effectué par lui. Le module est arrêté le temps nécessaire à l'opérateur pour insérer la cheville dans l'espace concerné, à l'aide de tout moyen de manipulation approprié. Pendant ce temps d'arrêt, le réservoir de stockage d'hydrogène est automatiquement branché pour en pallier les conséquences.

Dans le cas où les relais de court-circuit des groupes de cellules des modules sont à fonctionnement automatique, le pilote commande la mise en court-circuit de tout groupe qu'il a diagnostiqué comportant une cellule déficiente. En outre, il peut mettre en arrêt le module tout entier, lorsqu'un nombre donné d'indicateurs de déficience de groupes de cellules est atteint dans un module. Le court-circuit automatique d'un ou de quelques groupes de cellules ne modifie pas la production d'hydrogène du module concerné. Selon des compléments à l'ensemble des caractéristiques précédentes, un équipement électrolyseur formé par M modules opérant en parallèle, chaque module comprenant N cellules à électrolyte acide, est caractérisé en ce qu'il comporte une unité de traitement des fluides comprenant : - des moyens de traitement pour produire de l'eau pure, notamment à partir de l'eau de ville, et un réservoir de stockage de cette eau pure ; - M paires de chambres de séparation des mélanges liquide+H2 et liquide+02, chaque chambre ayant une entrée haute reliée, par un tuyau, au conduit collecteur du mélange liquide+gaz approprié de chacun des M modules, et une sortie haute, reliée au collecteur général approprié de l'un des deux gaz, H2 et 02, produits par ces M paires de chambres ; - deux capteurs de niveaux de liquide, montés sur les M paires de chambres de séparation des mélanges liquide+gaz, reliés au pilote automatique; - M chambres de séparation des mélanges liquide+02 ayant chacune une entrée basse reliée à ce réservoir d'eau pure, à travers M électrovannes et M pompes de relevage à commandes automatiques, en fonction du niveau de liquide dans chacune de ces M chambres ; - M chambres de séparation des mélanges liquide+H2 ayant chacune une sortie basse reliée, à travers une électrovanne à commande automatique, à une seconde entrée basse des M chambres de séparation des mélanges liquide+02, afin d'assurer une certaine uniformité des niveaux d'eau dans ces M paires de chambres de séparation ; - M paires de chambres de séparation des mélanges liquide+02 et liquide+H2, possédant chacune une sortie basse pour le liquide résiduel et ces M paires de sorties basses sont reliées à des conduits distributeurs de liquide des M modules, à travers M paires de pompes de circulation, à commandes automatiques, en fonction des débits individuels respectivement demandés aux M modules ; - M régulateurs de température, à commandes automatiques, installés en amont des M entrées de conduits distributeurs de liquide, reliés aux M compartiments d'anode des cellules des M modules : - le pilote comporte un programme (K) pour commander au moment opportun ces électrovannes, ces pompes et ces régulateurs de température. Grâce à ces dispositions, cette unité de traitement des fluides d'un équipement électrolyseur, générateur d'hydrogène et d'oxygène, fonctionne continuellement en accord avec les débits individuels d'hydrogène, respectivement imposés par le pilote automatique à chacun de ses M modules. En effet, si les niveaux de liquide dans les M paires de chambres de séparation liquide/gaz sont maintenus à des niveaux moyens, les débits de liquide dans les conduits distributeurs des M modules sont déterminés par les débits individuels d'hydrogène demandés à ces modules. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente une cellule d'électrolyse à membrane PEM ; - la figure 2 représente schématiquement les groupes de cellules d'un module, leurs relais de court-circuit, l'alimentation électrique de ce module, un multiplexeur et un pilote automatique ; - la figure 3 représente une plaque bipolaire spécifique de l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement un équipement électrolyseur autonome comprenant plusieurs modules, formés de cellules à électrolyte acide, selon l'invention ; - la figure 5 présente certains programmes incorporés dans le pilote automatique. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

La figure 1 est une représentation schématique d'une cellule 10 d'électrolyse de l'eau, à membrane PEM. Cette cellule 10 est enserrée entre deux plaques bipolaires planes 12-14 en titane, installées verticales, écartées de 6 mm environ, ayant une épaisseur de 1 mm et une surface de quelques dizaines de décimètres carrés. Cette cellule 10 est constituée par une fine membrane polymère PEM 16, dotée sur ses deux faces d'un fin dépôt catalytique (typiquement un micron de platine), enserrée entre une anode 18 et une cathode 20, toutes deux constituées par un disque ou un rectangle en titane fritté perméable, d'environ 1 mm d'épaisseur. Les espaces entre ces électrodes 18-20 et les plaques 12-14 constituent deux compartiments : 22 celui d'anode A et 24 celui de cathode C, chacun occupé par une grille en titane 26 ou 28, épaisse de 2 mm. La cellule 10 possède une paroi externe souple 30, épaisse de 20 mm environ. Dans les parties haute et basse de cette paroi 30 et des deux plaques bipolaires 12-14 de la cellule 10 (et de toutes les cellules 10, empilées serrées dans un module d'électrolyse), sont aménagées deux paires de conduits rectilignes, ayant de 2 à 3 mm de diamètre : en bas, une paire 32-34 de distributeurs d'eau et, en haut, une paire 36-38 de collecteurs des mélanges eau+gaz produits par la cellule. Les conduits bas 32-34 sont raccordés aux compartiments 22-24, par deux passages 40-42 et les conduits hauts 36-38, raccordés à ces mêmes compartiments par deux autres passages 44-46. On notera que les cellules à électrolyte liquide, acide ou alcalin, ont une architecture plus ou moins proche de celle de la cellule à membrane PEM de la figure 1 : les électrodes et les plaques bipolaires sont confondues et non pas séparées, les dépôts catalytiques sont sur les électrodes et non pas sur la membrane, un diaphragme ou une céramique mince remplace la membrane PEM, des grilles isolantes remplacent les grilles en titane, mais les conduits distributeurs de liquide et les conduits collecteurs de mélanges liquide+gaz sont identiques. La figure 2 est une représentation simplifiée d'un module électrolyseur perfectionné 48, comportant, à titre d'exemple, quinze (N) cellules d'électrolyse 10 à membranes PEM, réparties en trois (P) groupes 501.3 de cinq (Q) cellules. Dans chaque groupe, chaque cellule est reliée à sa voisine par une plaque bipolaire interne 521.4, les trois groupes 501.3 de cellules comportant quatre plaques bipolaires spécifiques 541.4. Deux brides de serrage 561.2 assurent l'assemblage de ces cellules et de ces groupes et deux bornes électriques 581.2 permettent l'alimentation électrique du module 48. Un générateur électrique 60, alimenté par le secteur, doté d'un variateur de tension 62 et d'un transducteur de courant 63, est raccordé aux bornes 581.2, par deux conducteurs 641.2, à forte section. Chacune des seize plaques bipolaires, internes 52 et spécifiques 54, des quinze cellules 10, est reliée par l'un des seize conducteurs 551.16 à l'une des seize entrées d'un multiplexeur 66. Les deux broches de sortie analogique de ce multiplexeur 66 sont reliées par un conducteur double 68 à l'entrée d'un pilote automatique 70, comportant (non représentés) un microprocesseur programmé, un interrogateur séquentiel et un convertisseur A/N. La fréquence de relevé des tensions entre électrodes est de l'ordre du kilohertz. Les quatre plaques bipolaires spécifiques 541.4 peuvent être reliées à leur voisine immédiate par trois relais de court-circuit 721.3. Le pilote 70 est adapté à émettre des signaux sélectifs de commande à l'intention de ces relais de court-circuit 72 et du variateur de tension 62. Les liaisons 741.3 et 761.2 sont prévues à cet effet.

Les figures 3a et 3b représentent les plaques bipolaires spécifiques 541.4 à haute conductance électrique des groupes de cellules du module 48. La figure 3a est une vue de face d'une plaque bipolaire spécifique circulaire 54, de quelques dizaines de décimètres carrés, comportant deux raccords débordants 801.2, diamétralement opposés. Ces raccords 80 sont adaptés à permettre de réaliser un court-circuit entre deux plaques bipolaires spécifiques voisines, au moyen d'un relais 72 (voir fig.2), tout en maintenant une distribution satisfaisante des courants électriques dans ces plaques. Ces plaques bipolaires spécifiques ont la forme des membranes PEM utilisées, et lorsque ces membranes sont rectangulaires, les raccords débordants sont diagonalement opposés. La figure 3b représente deux groupes 501.2 de cinq cellules 10, dotés de deux lignes de relais électriques 821.2, à commande automatique ou manuelle. Ces deux lignes de relais 821.2 sont constituées par des petites pièces intermédiaires, en forme de T (avec une barrette de 30 mm environ), à haute conductance électrique, transversalement fixées aux raccords débordants 801.2, par leur pied pourvu d'un connecteur approprié du commerce. De la sorte, les barrettes de ces T forment deux alignements rectilignes, perpendiculaires aux plaques bipolaires, régulièrement interrompus par des écarts à parois légèrement obliques, ayant une largeur moyenne de quelques millimètres, Lorsqu'un relais 72 effectue un court-circuit, un tel écart est occupé par une cheville 841_ 2 à bords obliques appropriés, à haute conductance électrique. Dans le cas d'un relais 72 en circuit ouvert, les chevilles 851.2 sont dégagées. Lorsque les relais 72 sont à commande manuelle, ces chevilles 84-85 sont dotées d'un moyen de manutention appropriée (non représenté). Lorsque ces relais 72 sont à commande automatique, à chacune de ces chevilles 84-85 sont associés (non représentés) un ressort de rappel et un moyen électromécanique banal, adapté à lui faisant subir une translation ou un basculement. La figure 4 est une représentation schématique d'un équipement électrolyseur 86, générateur d'hydrogène à fort débit et haute fiabilité, selon l'invention. Pour ne pas surcharger la figure, sont seuls représentés les éléments de l'équipement concernés par l'invention. Sont notamment absents de cette figure 4, les dispositifs usuels de contrôle visuel, de sécurité, de ventilation, de purge et de mise sous pression d'un électrolyseur générateur d'hydrogène.

A titre d'exemple, l'équipement 86 comprend vingt (M) modules standards comprenant chacun soixante (N) cellules à membrane PEM, les modules 88 (Ml) et 90 (M20) étant seuls représentés. Chaque module 88-90 est relié au pilote automatique 70 par un conducteur 68. Un conducteur 92 relie au pilote 70 une sonde de température 94 immergée dans le conduit collecteur 36 (voir fig.1) des compartiments d'anode des cellules de chaque module. Ces vingt modules 88-90 sont répartis en deux groupes fonctionnels, un premier groupe de dix sept modules et un second groupe de trois modules. Selon la figure 4, dans l'unité de traitement de fluides 85, associée aux vingt modules 88-90 de l'équipement 86, un dispositif purificateur d'eau 96, alimenté par l'eau de ville, est raccordé à un réservoir d'eau pure 98 à sortie reliée, à travers une pompe de relevage 100, à fonctionnement automatique intermittent, et deux électrovannes 102, à commande automatique, aux entrées basses 104 des deux chambres 106 de séparation eau+02, respectivement associées aux modules 88-90. Chacune de ces chambres 106 possède une première sortie basse 108 reliée, à travers une sonde de conductivité 107, un capteur de débit de liquide 109, une pompe de circulation 110, un régulateur thermique 112, au conduit distributeur d'eau 32 (voir fig.1), alimentant tous les compartiments d'anode 22 des N cellules 10 des modules 88-90. Chacune des chambres 106 de séparation eau+02 est équipée d'un capteur 114 adapté à y évaluer le niveau d'eau (trop haut, normal, trop bas), relié au pilote 70. Les conduits 36-38 collecteurs de mélange eau+02 et eau+H2 (voir fig.1), produits par les modules 88-90 sont respectivement raccordés, par les deux tuyaux calorifugés 87-89, à l'entrée haute 116 de chacune des chambres 106 de séparation du mélange eau+02 et à l'entrée haute 118 de chacune des chambres 120 de séparation du mélange eau+H2. Chacune de ces chambres 120 possède une première sortie basse 122 reliée, à travers un capteur de débit 123, une pompe de circulation 124 et un tuyau calorifugé 84, au conduit distributeur d'eau 34 (voir fig.l) de tous les compartiments de cathode 24 des N cellules 10 des modules 88-90. Les chambres de séparation 120 ont chacune une seconde sortie basse 128, reliées à une seconde entrée basse 126 des chambres 106, à travers une électrovanne 130, à commande automatique, pour y assurer une certaine uniformité de niveaux d'eau. Pour ce faire, un capteur de niveau 132 (relié au pilote 70) est associé à chaque chambre de séparation 120. Les M paires de chambres de séparation 106-120 des mélanges eau+gaz ont chacune une sortie haute 133-134 et ces M paires de sorties sont respectivement reliées aux M entrées d'un collecteur général 136 de 02 et aux M entrées d'un collecteur général 138 de H2. Les sorties de ces collecteurs généraux débouchent sur les équipements d'exploitation de ces gaz. Aux collecteurs d'oxygène 136 et d'hydrogène 138 sont associés, d'une part, des réservoirs de stockage d'oxygène 137a et leurs électrovannes associées 137b et, d'autre part, des réservoirs d'hydrogène 139a et leurs électrovannes associées 139b. Chacun des M modules du système électrolyseur 88-90 est équipé d'un bloc d'alimentation électrique 60, à commande automatique, doté d'un variateur de tension 62 et d'un transducteur de courant 63 (voir fig.2). Selon la figure 5, le pilote automatique 70 comporte : - un programme (A) pour relever, numériser et identifier, par leurs coordonnées (n, m), les données afférentes aux M.N cellules de l'équipement ; - un programme (B) pour comparer ces données (tensions et températures) à des données de référence et, le cas échéant, diagnostiquer une déficience majeure ou mineure d'un module (m) ; - un programme (C) pour arrêter un module de rang (m) et pour augmenter le débit des 5 autres, en cas de déficience majeure de ce module ; - un programme (D) pour diminuer le débit de gaz d'un module de rang (m) et augmenter les débits des autres afin de maintenir constant le débit total, en cas de déficience mineure ; - un programme (E) pour suivre la mise en oeuvre de ces programmes (A, B, C, D), pour 10 comparer la densité de courant, commandé à un module, aux deux seuils, minimal et maximal, imposés à cette densité par le constructeur, et pour provoquer : (a) l'arrêt d'un module (m) au cas où le seuil bas est franchi ; (b) une diminution générale des débits de tous les modules, au cas où toutes les densités de courants sont très proches du seuil maximal autorisé, 15 (c) un raccordement au système utilisateur du réservoir de stockage d'hydrogène et un réglage de ses électrovannes associées, en même temps que cette diminution. Grâce à ces dispositions, l'exploitation d'un équipement électrolyseur industriel autonome, générateur d'hydrogène à très haut débit et très haute fiabilité, devient aisée. En effet, malgré la probabilité importante de défection de l'une ou l'autre des cellules 20 d'électrolyse d'un tel équipement, celui-ci a la possibilité de s'autogérer et de poursuivre son fonctionnement, sans modifier le débit de H2 programmé, fixé par l'opérateur. L'équipement électrolyseur 86, formé par les 20 modules à 60 cellules à membranes PEM, visés plus haut, étant en ordre de marche, l'opérateur entre ses instructions 25 relatives aux débits individuels de chacun des modules 88-90 de l'équipement, en fonction du débit total qui lui est demandé : 150 Nm3/h, par exemple. Ces premiers débits individuels seront des débits nominaux, correspondant à une densité de courant de 0,5 A/cm2, de 8,80 Nm3/h par exemple pour chacun des 17 modules du premier groupe principal et ils seront nuls pour les 3 modules du second groupe. Dès que ces différents débits sont produits, par réglages automatiques des variateurs de tension 62, les transducteurs de courants 63 fournissent des signaux, représentatifs des différents courants électriques et débits individuels d'hydrogène des modules. A partir de ces signaux, des représentations graphiques de ces débits individuels apparaissent sur l'écran du pilote 70. Ce qui permet à l'opérateur de suivre en continu le comportement de chacun d'eux. Lorsque le pilote automatique 70 détecte qu'un module du premier groupe est en état de déficience majeure, au sens défini plus haut, il délivre trois signaux : (a) un signal de commande d'arrêt de ce module, et (b) un signal de commande du débit individuel de l'un des trois modules du second groupe, qui lui fait produire soit le débit précédemment réalisé par le module mis à l'arrêt soit son débit nominal initial avec rééquilibrage approprié des débits des autres modules. Ce processus peut se répéter jusqu'à ce que les trois modules du second groupe initial aient remplacé trois modules déficients du premier groupe initial. Ensuite, dès qu'un nouveau module est déficient pour une raison majeure, ce module est mis en arrêt et rejoint le second groupe cependant que les autres modules actifs sont amenés à augmenter leurs débits individuels. Cela peut se répéter aussi longtemps que ce débit individuel demeure inférieur au débit maximal autorisé.

Lorsque le pilote automatique 70 détecte qu'un module particulier du premier groupe présente une déficience mineure, telle que définie plus haut, il produit les signaux suivants : (a) un signal de commande de diminution de 20% par exemple du débit individuel de ce module, qui réduit ce débit initial à 7 Nm3/h, et (b) un signal de commande d'augmentation des débits individuels des 16 autres modules du premier groupe, qui passent à 9 Nm3/h pour maintenir le débit total de l'équipement à 150 Nm3/h. Ce processus se répète en abaissant, de préférence par paliers normalisés de densité de courant (par exemple de 0,1 A/cm2), les débits individuels des premiers modules déficients et en augmentant les débits individuels des autres modules. Cela continue (avec arrêt des modules à déficience majeure ou à débit individuel prévu inférieur au seuil minimal et le remplacement de chacun d'eux par l'un des trois modules du second groupe initial avec un rééquilibrage des débits respectifs des modules du premier groupe ainsi reconstitué) jusqu'à ce que le débit individuel demandé à chacun des derniers modules de ce premier groupe atteint le débit individuel maximal autorisé (5 modules à 30 Nm3/h, correspondant à une densité maximale de courant de 2 A/cm2, par exemple).

En prévision d'une telle situation de saturation de l'équipement, l'opérateur peut prévoir une position de repli consistant à diminuer le débit total demandé et à solliciter le réservoir de stockage d'hydrogène pour pallier cette diminution. Dans ce cas, l'ensemble des étapes du processus décrit ci-dessus se répète à l'identique, mais avec un objectif de production totale nettement diminué pour l'équipement proprement dit, par exemple, jusqu'à 120 Nm3/h, et donc 24 Nm3/h de débit maximal autorisé pour chacun des cinq modules restant en jeu. La représentation graphique de ces débits individuels permet à l'opérateur de suivre en temps réel l'évolution du comportement de l'équipement et donc de prendre toute décision appropriée quant à la suite à donner à tout cas particulier. L'ensemble de ces modifications successives de débits individuels des modules a pour seul objectif, le maintien automatique du débit total d'hydrogène demandé à l'équipement. Des variantes de ce processus en plusieurs temps sont bien entendu possibles dès lors que cet objectif est assuré. En réponse à une instruction de l'opérateur augmentant, par exemple de 10%, le débit total d'hydrogène demandé à l'équipement électrolyseur 86, des signaux de commande numérique sont adressés aux M blocs d'alimentation électrique 60 des modules 88-90 de l'équipement ainsi qu'à ses 2M pompes de circulation 110-124 : tous ces composants augmentent leur production de 10%. Le débit d'hydrogène de chaque module est suivi par l'affichage de l'intensité de son courant d'alimentation, mesurée par le transducteur de courant 63. Dans ces conditions, les volumes de mélanges eau+gaz produits par toutes les cellules de l'équipement augmentent également et l'uniformité des niveaux normaux qui existait jusqu'alors dans toutes les chambres de séparation 106-120 des M modules peut être détruite. Si le niveau dans les chambres de séparation des mélanges eau+H2 est trop haut, les électrovannes 130 sont ouvertes jusqu'à ce que l'uniformité antérieure soit rétablie. Au cas où la température du mélange eau+02, mesurée par le thermocouple 94 d'un module particulier, dépasserait un seuil imposé en réponse à cette augmentation de débit de H2, le régulateur thermique 112 de ce module corrigerait ce dépassement en abaissant la température de l'eau injectée dans le conduit 32 distributeur d'eau de ce module. Le pilote automatique 70 assure le bon fonctionnement de l'unité de traitement des fluides 85. A cet effet, en réponse aux détecteurs de niveau 114-132, les électrovannes 102 et 130 sont commandées pour les niveaux moyens de l'eau dans les chambres 106-120 de séparation des mélanges eau+gaz soient situés dans une plage autorisée. Les sondes de conductivité 107 de l'eau fournie par les chambres de séparation 106 aux modules 88-90 produisent des signaux analysés par le pilote 70. Ce pilote peut utiliser ces signaux de conductivité de l'eau pour corriger les tensions mesurées entre les électrodes des cellules, avant de les comparer à des valeurs de référence. Plus généralement, il les utilise pour mettre en arrêt le module concerné au cas où la conductivité mesurée est supérieure à un seuil déterminé. Les signaux fournis par les capteurs de débit de liquide 109-123 sont analysés de même et au cas où le débit mesuré est inférieur à un seuil variable, fixé en fonction du débit d'hydrogène demandé au module concerné, le module est arrêté par le pilote. Les régulateurs de température 112 de l'eau renvoyée aux compartiments d'anode des cellules sont régis par le pilote 70. Il en est de même pour les pompes 110-124, affectées aux courants d'eau entrant dans les deux compartiments des cellules. L'invention n'est pas limitée à l'équipement 86 décrit à la figure 4.

Les modules 88-90 de l'équipement électrolyseur perfectionné 86 sont de type standard mais ils auraient pu être conformes au module 48 selon la figure 2 et comporter P groupes de cellules, le pilote automatique 70 étant alors adapté à traiter (comme indiqué plus haut) les différents signaux disponibles et à produire les signaux de commande appropriés permettant de court-circuiter manuellement ou automatiquement le groupe déficient. Cette possibilité est particulièrement intéressante pour un équipement électrolyseur, générateur d'hydrogène à haute fiabilité mais à débit d'hydrogène limité, comprenant par exemple un, deux ou trois modules. Par ailleurs, on notera que l'architecture de l'unité 85 de traitement des fluides de l'équipement électrolyseur d'eau 86 décrit à la figure 4, dans laquelle les chambres de séparation des mélanges eau+gaz sont propres à chacun des modules, n'est pas la seule architecture possible. On peut en effet avoir deux chambres collectives de séparation des mélanges eau+gaz, directement ou indirectement alimentées par les M paires de conduits collecteurs des deux mélanges produits par les modules, avec leur deux sorties basses directement ou indirectement raccordées, à travers 2M pompes de circulation, aux M paires de conduits distributeurs d'eau de ces modules. Dans les cas où ces raccordements sont indirects, un ou deux réservoirs intermédiaires seront utilisés, (1) pour collecter les mélanges eau+gaz d'un même type, produits par les différents modules, avant d'adresser le tout à la chambre collective de séparation et/ou (2) pour collecter les eaux résiduelles de ces deux chambres avant de les adresser aux conduits distributeurs des M modules. En pratique, l'usage de tels réservoirs intermédiaires entraîne divers inconvénients, notamment une augmentation importante des longueurs des tuyaux, et l'une des deux autres solutions lui sera donc généralement préférée. La description de l'invention a été faite en référence à des cellules d'électrolyse équipées de membranes acides PEM. Dans les systèmes générateurs d'hydrogène, équipés de cellules à électrolyte liquide, alcalin ou acide, les adaptations technologiques de l'invention à ce type particulier de cellules sont à la portée de tout spécialiste de ces systèmes et ne seront donc pas décrites ici. Il apparaît de ce qui précède que l'invention concerne une installation de production d'hydrogène comprenant : - M modules de production d'hydrogène (48-88-90) comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse (10), - une pluralité d'alimentations électriques (60), chacune reliée à un module (48-88-90) qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité, caractérisée en ce que certaines au moins des alimentations électriques sont dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal. Cette installation peut présenter les caractéristiques additionnelles suivantes : a. une unité de traitement (85) pour traiter les fluides issus de l'électrolyse, - une pluralité de capteurs (55-94) agencés pour émettre des données de disponibilité indiquant un état de fonctionnement d'au moins élément dans le groupe comprenant certaines au moins des cellules (10), certains au moins des modules (48-88-90) et l'unité de traitement, et - un pilote (70) agencé pour recevoir lesdites données indicatives d'un état de fonctionnement, et pour en tirer sélectivement des consignes de commande en courant pour lesdites alimentations électriques, dont certaines peuvent être supérieures audit courant nominal. b. le pilote est agencé pour recevoir des données de consignes de débit d'hydrogène, et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour les M modules. c. Installation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle certains au moins des modules comprennent plusieurs cellules associées plusieurs groupes, ces modules comprenant des relais de court-circuit pour chaque groupe de cellule qu'ils contiennent, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs groupe de cellules d'un de ces modules, ledit pilote (70) émet un signal d'activation du ou des relais de court-circuit associés à ces groupes de cellules, et calcule une consigne pour les modules concernés prévue pour compenser la désactivation de leurs groupes de cellules court-circuités. d. chaque groupe de cellule comprend : - des plaques bipolaires spécifiques (54) qui sont des disques ou des rectangles à haute conductance électrique, dotés de deux raccords débordants (80), diamétralement ou diagonalement opposés, - un pied d'une pièce intermédiaire (82), en forme de T, à haute conductance électrique, attaché à chacun de ces deux raccords débordants (80), les barrettes de ces T étant alignées et un écart étant aménagé entre les extrémités des barrettes de deux pièces intermédiaires voisines, et - deux chevilles (84), à haute conductance électrique, adaptées à être insérées dans ces écarts, automatiquement ou manuellement, pour constituer le relais de court-circuit (72). e. en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) calcule une consigne inférieure au courant nominal pour les modules désignés et une consigne pour certains au moins des autres modules qui compense la diminution de la consigne des modules désignés. f. ledit calcul de consigne pour certains au moins des autres modules comprend une augmentation sensiblement égale de la consigne de commande pour tous ces autres modules. g- le calcul d'une consigne de commande de courant inférieure à 67% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour le module concerné. h. en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) émet un signal d'extinction de ce ou ces modules, et calcule une consigne pour les autres modules prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation. i. le calcul d'une consigne de commande de courant supérieure à 200% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour l'installation. j. le pilote est agencé, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne de l'installation, pour réduire ladite consigne de débit d'hydrogène et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour chacun des M modules. k. elle peut comprendre en outre un réservoir de stockage d'hydrogène (139a) et/ou un réservoir de stockage d'oxygène (137a), et des électrovannes (137a, 139b), à débits individuels programmables, installées entre ce ou ces réservoirs (137a, 139a) et des sorties respectives d'hydrogène et d'oxygène de l'installation, dans laquelle le pilote est agencé pour commander les électrovannes (137b, 139b) tirer un débit d'hydrogène et/ou d'oxygène du ou des réservoirs (137a, 139a) pour pallier la diminution de ladite consigne de débit d'hydrogène. 1. elle peut comprendre en outre L modules de réserve, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, le pilote est agencé pour activer un ou plusieurs modules de réserve, et pour calculer une consigne de commande de courant pour les modules fonctionnels prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation. m. les capteurs sont agencés pour mesurer au moins un des éléments parmi le groupe comprenant la tension électrique entre les électrodes de certaines au moins des cellules (10) de l'installation, la température de l'un des mélanges liquide+gaz produit par certains au moins des modules,. n. le pilote détermine que des données de disponibilité indiquent une défaillance lorsque la tension entre les électrodes d'une cellule désignée par ces données est supérieure à un seuil donné, ou lorsque la température d'un mélange liquide+gaz d'un module désigné par ces données est supérieure à un seuil donné.15

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Installation de production d'hydrogène comprenant : - M modules de production d'hydrogène (48-88-90) comprenant chacun au moins une cellule d'électrolyse (10), - une pluralité d'alimentations électriques (60), chacune reliée à un module (48-88-90) qu'elle commande en courant pour la production d'hydrogène par électrolyse d'eau, ladite commande en courant étant calibrée pour un courant nominal qui correspond à un débit nominal d'hydrogène souhaité, caractérisée en ce que certaines au moins des alimentations électriques sont dimensionnées pour pouvoir fournir une commande de courant au moins égale à (100(1+1/(M-1)))% du courant nominal.
2. 2. Installation selon la revendication 1, comprenant en outre : - une unité de traitement (85) pour traiter les fluides issus de l'électrolyse, - une pluralité de capteurs (55-94) agencés pour émettre des données de disponibilité indiquant un état de fonctionnement d'au moins élément dans le groupe comprenant certaines au moins des cellules (10), certains au moins des modules (48-88-90) et l'unité de traitement, et - un pilote (70) agencé pour recevoir lesdites données indicatives d'un état de fonctionnement, et pour en tirer sélectivement des consignes de commande en courant pour lesdites alimentations électriques, dont certaines peuvent être supérieures audit courant nominal.
3. 3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le pilote est agencé pour recevoir des données de consignes de débit d'hydrogène, et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour les M modules.
4. 4. Installation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle certains au moins des modules comprennent plusieurs cellules associées plusieurs groupes, ces modules comprenant des relais de court-circuit pour chaque groupe de cellulequ'ils contiennent, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs groupe de cellules d'un de ces modules, ledit pilote (70) émet un signal d'activation du ou des relais de court-circuit associés à ces groupes de cellules, et calcule une consigne pour les modules concernés prévue pour compenser la désactivation de leurs groupes de cellules court-circuités.
5. 5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle chaque groupe de cellule comprend : - des plaques bipolaires spécifiques (54) qui sont des disques ou des rectangles à haute conductance électrique, dotés de deux raccords débordants (80), diamétralement ou diagonalement opposés, - un pied d'une pièce intermédiaire (82), en forme de T, à haute conductance électrique, attaché à chacun de ces deux raccords débordants (80), les barrettes de ces T étant alignées et un écart étant aménagé entre les extrémités des barrettes de deux pièces intermédiaires voisines, et - deux chevilles (84), à haute conductance électrique, adaptées à être insérées dans ces écarts, automatiquement ou manuellement, pour constituer le relais de court-circuit (72).
6. 6. Installation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une défaillance et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) calcule une consigne inférieure au courant nominal pour les modules désignés et une consigne pour certains au moins des autres modules qui compense la diminution de la consigne des modules désignés.
7. 7. Installation selon l'une des revendications 6, dans laquelle ledit calcul de consigne pour certains au moins des autres modules comprend une augmentation sensiblement égale de la consigne de commande pour tous ces autres modules.
8. 8. Installation selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle le calcul d'une consigne de commande de courant inférieure à 67% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour le module concerné.
9. 9. Installation selon l'une des revendications 2 à 8, dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, ledit pilote (70) émet un signal d'extinction de ce ou ces modules, et calcule une consigne pour les autres modules prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation.
10. 10. Installation selon l'une des revendications 2 à 9, dans laquelle le calcul d'une consigne de commande de courant supérieure à 200% du courant nominal génère des données de disponibilité indiquant une panne pour l'installation.
11. 11. Installation selon la revendication 10, dans laquelle le pilote est agencé, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne de l'installation, pour réduire ladite consigne de débit d'hydrogène et pour calculer une consigne de commande de courant correspondante pour chacun des M modules.
12. 12. Installation selon la revendication 11, comprenant en outre un réservoir de stockage d'hydrogène (139a) et/ou un réservoir de stockage d'oxygène (137a), et des électrovannes (137a, 139b), à débits individuels programmables, installées entre ce ou ces réservoirs (137a, 139a) et des sorties respectives d'hydrogène et d'oxygène de l'installation, dans laquelle le pilote est agencé pour commander les électrovannes (137b, 139b) tirer un débit d'hydrogène et/ou d'oxygène du ou des réservoirs (137a, 139a) pour pallier la diminution de ladite consigne de débit d'hydrogène.
13. 13. Installation selon l'une des revendications 2 à 12, comprenant en outre L modules de réserve, et dans laquelle, en réponse à des données de disponibilité indiquant une panne et désignant un ou plusieurs modules, le pilote est agencé pour activer un ou plusieurs modules de réserve, et pour calculer une consigne de commande de courant pour les modules fonctionnels prévue pour maintenir le débit d'hydrogène produit par l'installation.
14. 14. Installation selon l'une des revendications 2 à 13, dans laquelle les capteurs sont agencés pour mesurer au moins un des éléments parmi le groupe comprenant la tension électrique entre les électrodes de certaines au moins des cellules (10) de l'installation, la température de l'un des mélanges liquide+gaz produit par certains au moins des modules,.
15. 15. Installation selon l'une des revendications 2 à 14, dans laquelle le pilote détermine que des données de disponibilité indiquent une défaillance lorsque la tension entre les électrodes d'une cellule désignée par ces données est supérieure à un seuil donné, ou lorsque la température d'un mélange liquide+gaz d'un module désigné par ces données est supérieure à un seuil donné.