Note publique d'information : Dans un contexte où les ressources fossiles se raréfient et deviennent de moins en
moins compétitives économiquement, il apparaît nécessaire de diversifier l'offre et
les vecteurs énergétiques. Parmi ceux-ci, l'hydrogène apparaît être l'un des plus
prometteurs. Cependant, les verrous technologiques associés à sa production freinent
considérablement son développement. Dans ce contexte, le travail réalisé ici concerne
l'élaboration d'un système capable de produire de l'hydrogène pur à partir d'hydrocarbures,
en particulier le méthane, en utilisant les réactions de craquage tout en séquestrant
de façon très efficace le carbone formé. Le système se compose de trois membranes
dont les fonctions respectives sont le reformage, la séparation et la restitution
de l'hydrogène moléculaire. La première membrane est poreuse, et est élaborée à partir
d'un cermet : BaCe0.85Y0.15O3-α / nickel. La seconde est dense et peut être constituée
simplement de BaCe0.85Y0.15O3-α, ou bien du même cermet que précédemment, suivant
que le fonctionnement du système est galvanique ou non. La dernière membrane est de
nature et morphologie identiques à la première. Ces trois membranes sont élaborées
et couplées les unes aux autres par le procédé de co-coulage en bandes en milieux
organique suivi par une étape de co-frittage. Plus précisément, sur la surface libre
de la première membrane est déposé par voie humique un mélange de poudres Xj / Ni,
où Xj et Ni sont respectivement un support de catalyse et le catalyseur pour la réaction
du craquage du méthane (Xj = CeO2, silice, nanodiamants, zéolithes,…). Ainsi, en alimentant
ce système en méthane, en présence par exemple de CeO2/Ni – le couple support/catalyseur
le plus performant- la production d'hydrogène est possible et le carbone résultant
se dépose sous forme de nanotubes dont le sommet porte la particule catalytique, ainsi
toujours en contact du flux de méthane ; de ce fait, la désactivation du catalyseur
est inhibée. Cette séquestration du carbone permet également de s'affranchir des rejets
de CO2 et CO. L'hydrogène pénètre ensuite la porosité de la membrane et s'oxyde au
niveau des points triples. En fonctionnement non galvanique, les protons et les électrons
traversent la seconde membrane jusqu'à la troisième via, respectivement, le réseau
percolant de BaCe0.85Y0.15O3-α et de Ni. En fonctionnement galvanique, les électrons
sont transportés jusqu'à la troisième membrane via un circuit électrique extérieur
imposant une tension. Au niveau des points triples de la dernière membrane, électrons
et protons se réassocient pour reformer de l'hydrogène pur. Ces travaux mettent en
œuvre ces deux systèmes galvanique et non galvanique en explicitant les motivations
dans le choix des différents matériaux utilisés. Grâce à la compréhension des divers
phénomènes intervenant en cours de fonctionnement, un procédé relativement optimisé
est ainsi mis en place pour réaliser ce système de production et de purification d'hydrogène.
Enfin, un modèle numérique est proposé afin de contrôler l'influence de tous les paramètres
pouvant intervenir dans les performances de cet objet
Note publique d'information : In a context of rarefaction and increasing of prices of fossil energetic resources,
it is necessary to diversify the energetic offer. Hydrogen seems to be one of the
most promising vectors, although technological matters associated to its production
slow down its development. In this context, the present work aims at elaborating a
system able to produce pure hydrogen from hydrocarbon, and in particularly from methane.
It is constituted of three membranes, which specific roles are reforming, separation
and retitution of molecular hydrogen. The first membrane is porous and is made of
a cermet BaCe0.85Y0.15O3-α / nickel. The second one is dense and is elaborated either
simply from BaCe0.85Y0.15O3-α, or from the same cermet as the first membrane, depending
whether the system operates in a galvanic or in a non-galvanic mode. The last one
is of the same nature and morphology as the first one. The three membranes are fabricated
and coupled one with the others by the process called co-tape-casting in organic solvent
followed by a step of co-sintering. More precisely, on the free surface of the first
membrane a layer of a mixture of powders Xj / Ni, where Xj and Ni are respectively
the support and the catalyst for methane cracking reaction (Xj = CeO2, Silica, Nanodiamonds,
zeolithes,…), is deposited via a humid route. Then, by feeding with methane this system,
with for example the presence of the highly efficient couple CeO2/Ni, the production
of hydrogen is made possible and deposited carbon atoms form nanotubes with Ni particles
at their tops, which are then always in the methane flux, and which then do not suffer
from deactivation. Hydrogen enters then in the porosity of the first membrane where
it is oxidized when meeting with triple phases boundaries. In a non-galvanic system,
protons and electrons can go through the second membrane, following the percolating
proton and ion conducting paths, to reach the third membrane. In a galvanic system,
electrons are transported toward the third membrane via an external circuit, which
imposes a voltage. At the third membrane triple phase boundaries, electrons and protons
recombine to form pure molecular hydrogen. These two systems galvanic and non galvanic
have been designed and fabricated, and the motivation that has led to the choice of
the materials used was given at each step of the process. Thanks to the comprehension
of the different phenomena taking place during operating conditions, a rather optimized
process leading to a system of production and purification of hydrogen was realized.
Finally, a numeric model was developed, in order to tailor the influence of all the
different parameters that may influence the performances of the object
paprika.idref.fr
data.idref.fr
Documentation
