5.2 Optimisation énergétique du procédé
5.2.1 Evolution de l’efficacité du procédé à l’état stationnaire
Pour visualiser cette perte d’efficacité de l’écoulement avec la densité de courant, on s’intéresse à l’évolution de l’état stationnaire avec la densité de courant et le débit d’écoulement. Pour ce faire, les résultats de calculs du modèle analytique sont utilisés. Les nombres de bulles de la population A et B sur la surface des électrodes étudiées à l’état stationnaire sont respectivement
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[05/09/2020]notés
𝑁𝑏
𝐴(𝑡 = 𝑡
∞)
et𝑁𝑏
𝐵(𝑡 = 𝑡
∞)
. Le nombre total de bulles en surface à l’équilibre est noté𝑁𝑏
𝑡𝑜𝑡(𝑡 = 𝑡
∞)
𝑁𝑏
𝑡𝑜𝑡(𝑡 = 𝑡
∞)
=𝑁𝑏
𝐴(𝑡 = 𝑡
∞) + 𝑁𝑏
𝐵(𝑡 = 𝑡
∞)
Ce nombre est majoritairement dominé par la population B qui est environ 100 fois plus important que celui de la population A.
Les graphes (a), (b), et (c) de la figure 73représentent l’évolution de
𝑁𝑏
𝑡𝑜𝑡(𝑡 = 𝑡
∞)
avec la densité de respectivement à l’électrode de platine, de carbone et de nickel. On voit que le nombre de bulles à la surface de l’électrode tend vers une limite à débit nul. Le nombre total de bulles en surface tend vers la même limite en écoulement. Cependant, cette limite est atteinte pour des densités de courant supérieures. A ces densités de courant trop élevées, l’évolution de la surface active est instable et difficilement prédictible.Les graphiques (d), (e) et (f) représentent l’évolution du nombre total des bulles à cette électrode en fonction du débit. Le nombre de bulles décroit en fonction du débit.
En comparant les résultats à débit nul et en écoulement sur les graphes (a), (b) et (c) de la figure 73, on voit que l’utilisation du débit présente donc une diminution de son efficacité lorsque la densité de courant augmente. Pour le débit d’écoulement Q = 15 mL/s, la diminution de l’efficacité du flux est beaucoup moins importante. En revanche ce débit correspond à la situation décrite précédemment, dans laquelle le débit est surdimensionné et un enlèvement aussi important de bulles ne provoque pas de gain significatif par rapport au débit Q = 1,5 mL/s. L’augmentation des pertes hydrauliques qui accompagnent ce débit 10 fois supérieur rend le bilan de puissance net négatif (la puissance nécessaire au circuit hydraulique est alors supérieure à la diminution de puissance électrique apportée) et finalement le procédé serait inefficace.
Pour l’électrode de platine dans la cellule à électrolyse, l’aptitude du procédé à maintenir la surface en contact avec l’électrolyte diminue dans la gamme d’applications possibles (𝑗 ≤ 50 𝑚𝐴/𝑐𝑚²). Pour un débit Q = 1,5 mL/s, cette diminution devient significative pour les densités de courant supérieures à 20 mA/cm². Le procédé permet à ce débit un enlèvement important de bulles pour les courants inférieurs à 20 mA/cm².
Quant à l’électrode de carbone à dégagement d’hydrogène, celle-ci produit des bulles plus petites que les bulles d’oxygène et deux fois plus nombreuses d’après la cinétique
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[05/09/2020]électrochimique dans la cellule à électrolyse. Les paramètres de flux ne sont donc pas directement comparables. On peut en revanche visualiser l’évolution de l’efficacité du flux à travers cette étude de l’état stationnaire.
L’électrode de Carbone présente des évolutions similaires à celles observées précédemment. On y visualise une efficacité de l’écoulement similaire à celle de l’électrode de Platine. L’écoulement perd en efficacité dans la gamme d’utilisation de la cellule. En comparant ces résultats de modélisation avec ceux obtenus à l’électrode de Platine, on voit une légère différence. La perte d’efficacité de l’écoulement semble être légèrement moins marquée à l’électrode de Carbone.
Figure 73 : Nombre de bulles stationnaire en surface en fonction de la densité de courant pour différents débits d’écoulement pour (a) Electrode de platine. (b) Electrode de carbone.
(c) Electrode de nickel. Nombre de bulles stationnaire en surface en fonction débit
d’écoulement pour différentes densités de courant pour (d) Electrode de platine. (e) Electrode de carbone. (f) Electrode de nickel
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[05/09/2020]La courbe (c) de la figure 73montre l’évolution du nombre de bulles en surface avec la densité de courant pour l’électrode de Nickel dans la cellule zinc-air en charge. L’évolution du nombre de bulles à l’électrode de Nickel tend ici aussi vers une limite pour les densités de courant supérieures à 10 mA/cm² à débit nul. On remarque cependant une perte de l’efficacité de l’écoulement plus significative qu’aux autres électrodes. A Q = 1.5 mL/s, la diminution de l’efficacité du flux devient importante au-delà de 10 mA/cm². Les valeurs calculées des nombres de bulles de petite taille en surface atteignent des valeurs similaires aux valeurs calculées à débit nul pour des densités de courant supérieures à 20 mA/cm². Les résultats de modélisation pour un débit 10 fois plus élevé montrent également une perte d’efficacité notable qui tend vers la même limite.
Les résultats de modélisation aux densités supérieures à 20 mA/cm² ne prennent pas en compte l’évolution instable de la surface active et l’accumulation de bulles dans la cellule provoquée par l’augmentation de la densité de courant, ils ne sont donc pas traducteur des phénomènes apparaissant à ces densités de courant à cette électrode. En revanche, on peut observer le comportement qu’aurait une électrode soumise à ces fortes densités de courant dans une cellule permettant d’éviter l’accumulation de bulles.
Du fait de l’accumulation trop importante de bulles en surface qui rend impossible l’enregistrement d’un signal propre, la gamme d’application à débit nul de cette cellule est limitée aux densités de courant inférieures à 20 mA/cm². Le procédé perd en efficacité dans cette gamme d’application mais permet tout de même d’obtenir une diminution de la puissance consommée en charge pour des débits d’écoulement adaptés. L’écoulement permettant d’éviter l’accumulation de bulles dans le volume, a également pour conséquence d’augmenter la gamme de courant d’application possible.
Le graphique (d) de la figure 73représente la dépendance des nombres de bulles en surface à l’électrode de Platine à l’état stationnaire avec le débit d’écoulement. On y observe l’augmentation du nombre de bulles avec l’augmentation du courant pour un débit donné. On y voit la dépendance du nombre de bulles en surface avec l’inverse du débit comme présenté dans les équations définissant le modèle.
Le graphe (e) de cette figure montre la dépendance du nombre de bulles en surface avec le débit pour l’électrode de carbone. Les comportements observés sont similaires à ceux observés à l’électrode de platine.
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[05/09/2020]La courbe (f) de la figure 73 représente la dépendance de