BE1031655B1

BE1031655B1 - Dispositif de dégazage pour une installation d'électrolyse et installation d'électrolyse

Info

Publication number: BE1031655B1
Application number: BE20235436A
Authority: BE
Inventors: Nicolas Maricau
Original assignee: John Cockerill Hydrogen Belgium
Priority date: 2023-05-31
Filing date: 2023-05-31
Publication date: 2025-01-07
Also published as: CN121013751A; EP4673242A1; BE1031655A1; WO2024246293A1

Abstract

La présente invention se rapporte au domaine technique de l’électrolyse et tout particulièrement à une installation d’électrolyse pour la production de dihydrogène (H2) et de dioxygène (O2) par électrolyse de l’eau. Suivant la présente invention, l’installation comprend un dispositif de dégazage (1) qui comprend une ouverture pour une première canalisation d’alimentation (11) en mélange gaz-liquide, une ouverture pour une canalisation (12) d’évacuation du liquide disposée sous le niveau de l’interface gaz-liquide (15) de la chambre (14), d’une ouverture pour une canalisation (13) d’évacuation du gaz disposée au-dessus du niveau de l’interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14). En outre, le dispositif de l’invention comprend une ou plusieurs ouvertures supplémentaires pour une ou plusieurs canalisation(s) d’alimentation supplémentaire(s) (21, 22) en mélange gaz-liquide, lesdites une ou plusieurs canalisation(s) d’alimentation supplémentaire(s) (21,22) en mélange gaz-liquide étant disposée(s) de manière à ce que les jets de mélange gaz-liquide introduits dans la chambre de dégazage (14) par les canalisations d’alimentation (11, 21, 22) interagissent entre eux.

Description

1 BE2023/5436

Dispositif de dégazage pour une installation d’électrolyse et installation d'électrolyse.

[0001] Description

[0002] La présente invention se rapporte au domaine technique de l’électrolyse et tout particulièrement à une installation d’électrolyse pour la production de dihydrogène (H>) et de dioxygène (07) par électrolyse de l’eau. Selon un premier de ses aspects, l'invention concerne un dispositif de dégazage pouvant être utilisé dans une installation pour la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l’eau. Un autre aspect de l'invention concerne une installation pour la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l’eau contenant un tel dispositif de dégazage.

[0003] Indication de l’art antérieur

[0004] La nécessité de réduire la production de gaz à effet de serre et d’utiliser des énergies renouvelables est maintenant bien connue. Le dihydrogène est une alternative aux hydrocarbures car il s’agit d’un vecteur énergétique facilement stockable, contrairement à l'électricité, et son oxydation dégage une énergie très importante (285 kJ/mole).

[0005] On connaît plusieurs façons de produire le dihydrogène gazeux ; la plus avantageuse consiste à électrolyser la molécule d’eau car il s’agit d’une réaction à haut rendement qui ne produit pas directement de CO) contrairement aux procédés utilisés massivement que sont le reformage du méthane, de charbon et d'hydrocarbures.

[0006] On connaît trois grands types d’électrolyseurs pour l’électrolyse de l’eau : -les électrolyseurs alcalins (AWE), qui se caractérisent par l’utilisation d’un électrolyte liquide qui permet le transfert des ions hydroxyles (OH7) de la cathode vers l’anode, - les électrolyseurs à haute température, dont l’électrolyte est une céramique ; et - les électrolyseurs à membrane (PEM), dont l’électrolyte est une membrane échangeuse d'ions à conduction protonique.

[0007] Dans les trois cas, le système doit être alimenté en eau d’une très grande pureté (alimentant, dans le cas des électrolyseurs alcalins, une solution électrolytique d’hydroxyde de sodium (NaOH) ou de potassium (KOH)). Dans la suite de la description, pour des raisons de concision, référence sera faite à un électrolyseur alcalin, mais il est bien entendu que la présente invention s'applique également à l’électrolyseur à membrane (par exemple une membrane échangeuse de protons).

[0008] Selon le procédé bien connu de l’art antérieur, une solution électrolytique (connue sur le terme anglais de lye) est amenée au sein d’un ensemble de cellules électrolytiques (connu sous le nom de stack d’électrolyseur) par une entrée spécifique. La solution électrolytique traverse le stack d’électrolyseur. Leau est décomposée en molécules gazeuses de dihydrogène,

H>, à la cathode, et de dioxygène, O7, à l’anode. Un diaphragme sépare généralement l’anode de la cathode de sorte que, dans les conditions normales, le dihydrogène et le dioxygène ne se mélangent pas. L'installation comprend une sortie pour le dihydrogène et l’électrolyte circulant du côté de la cathode (catholyte) et une sortie pour le dioxygène et l’électrolyte du côté de l’anode (anolyte). En d’autres termes, il s’agit de deux flux distincts de sorte qu’il existe un séparateur gaz-liquide dédié à la séparation du dihydrogène du catholyte, et un séparateur gaz- liquide pour la séparation du dioxygène de l’anolyte. Les sorties liquides des deux séparateurs gaz-liquide sont ensuite mélangées avant d’alimenter à nouveau le stack d’électrolyseur. Dans les deux flux, en sortie de stack d’électrolyseur, la phase liquide (lye) est chargée en bulles de gaz. En sortie de séparateur gaz-liquide, il ne subsiste plus que quelques bulles de gaz dans le lye évacué par l’orifice inférieur du séparateur gaz-liquide dédié à la phase liquide alors que la phase gazeuse majoritaire est extraite du séparateur gaz-liquide par l’orifice supérieur du séparateur gaz-liquide. Pour différentes raisons, il est important de séparer le gaz du lye. Tout d’abord, plus on sépare le gaz de l’électrolyte, plus la production de gaz est importante, ce qui participe au bon rendement électrochimique du procédé. Ensuite, le mélange H7/07 est hautement explosif. Si la séparation ne s’effectue pas correctement, une quantité importante de gaz, communément appelé « gaz résiduel », est entrainée en sortie liquide du séparateur gaz-liquide. Lors de la circulation suivante dans le stack d’électrolyseur (l'électrolyte tourne en boucle fermée) une partie de ce gaz passe dans l’autre compartiment et donc du mauvais côté.

[0009] Ces séparateurs gaz-liquide, bien connus dans la technique comprennent une chambre de dégazage munie d’une ouverture pour une canalisation d’alimentation en mélange gaz- liquide, d’une ouverture pour une canalisation d’évacuation du liquide disposée sous le niveau de l’interface gaz-liquide de la chambre de dégazage et d’une ouverture pour une canalisation d'évacuation du gaz disposée au-dessus du niveau de l’interface gaz-liquide de la chambre de dégazage. Chacune des sorties du stack d’électrolyseur pour les mélanges dihydrogène-lye d’une part et dioxygène-lye d’autre part est reliée à un tel séparateur gaz-liquide. Les Figs. 1 et 2 représentent schématiquement des séparateurs gaz-liquide connus alignés respectivement selon un axe principal À horizontal ou vertical. Le document FR-A1-2949479 par exemple, décrit de tels séparateurs gaz-liquide.

[0010] Le principe d’extraction des bulles de gaz de la phase liquide repose sur le principe d'Archimède. L'efficacité de la séparation dépend principalement de la gravité ainsi que de la différence de densité entre les phases liquide et gazeuse mais aussi de la viscosité (frottement des bulles de gaz dans la partie liquide). Le mélange gaz-liquide doit donc résider suffisamment longtemps dans la chambre de dégazage afin de permettre à l’ensemble des bulles de gaz de s’extraire du lye. Dans la suite de la description, de tels séparateurs gaz-liquide seront désignés par les termes de séparateurs gaz-liquide gravitaires. Ces séparateurs gaz-liquide gravitaires sont caractérisés par des dimensions conséquentes. Dans certains séparateurs gaz-liquide, des équipements peuvent être insérés afin d'accélérer la séparation (par exemple une structure en nid d’abeille) ou pour uniformiser le flux et avoir un temps de séjour uniforme pour toutes les lignes de courant. Des bulles de gaz encore présentes dans la phase liquide peuvent être quantitativement significatives, autrement dit toutes les bulles de gaz ne parviennent pas à être extraites de la phase liquide en vue d’être évacuées par canalisation d’évacuation ad hoc sur la paroi supérieure ou latérale de la chambre de dégazage. Ceci pose plusieurs problèmes.

Comme on l’a déjà indiqué ci-avant, le rendement du stack d’électrolyseur souffre de cette perte de gaz. En outre, dans les installations d’électrolyse conventionnelles, les deux fractions de lye évacuées du séparateur gaz-liquide sont réunies et mélangées dans un réservoir intermédiaire avant d’être réinjectées dans le stack d’électrolyseur selon une boucle fermée.

Du fait de la séparation incomplète, une quantité pouvant être importante de dihydrogène et de dioxygène résiduels peut être réinjecté dans le stack d’électrolyseur de sorte que le dioxygène résiduel se retrouve du côté de la cathode alors que le dihydrogène se dirige vers l’anode. Comme on l’a déjà indiqué, il est bien connu que le mélange gazeux dihydrogène/dioxygène est explosif même à une assez faible concentration et cette situation est dangereuse pour le personnel et l’installation. Les gaz ainsi produits ont également une pureté très médiocre qui nécessite une étape de purification complémentaire.

[0011] Une solution à ce problème consiste à augmenter la taille des séparateurs gaz-liquide qui à son tour génère de nouveaux problèmes, liés au surcoût, à la complexité de fabrication et de transport de ces séparateurs gaz-liquide ainsi qu’à l’accroissement de la taille de l'usine de production.

[0012] Il serait donc souhaitable de pouvoir fournir un dispositif de dégazage permettant un — dégazage pratiquement complet des évacuats (dihydrogène/lye et dioxygène/lye des cellules électrolytiques). Idéalement, un tel dispositif de dégazage devrait pouvoir fournir le résultat attendu lorsque le système est utilisé à pleine charge (débit d’évacuat élevé) ou à charge réduite (débit d’évacuat faible).

[0013] Il faut en effet aussi prendre en compte le fait que les séparateurs gaz-liquide des électrolyseurs ne produisent pas toujours du dihydrogène et du dioxygène à leur charge nominale (contrairement à des systèmes similaires pour d’autres industries ou applications) et que le système doit être efficace quel que soit la quantité de gaz à séparer. En effet, quand le volume de gaz diminue, la pureté des gaz se dégrade car proportionnellement la coalescence des bulles de gaz plus grandes et plus faciles à extraire n'est pas la même.

[0014] Exposé de l’invention

[0015] Suivant l’invention, ce problème a été résolu avec un dispositif de dégazage selon la revendication 1. Selon l’art antérieur, les mélanges lye-dihydrogène provenant de plusieurs stacks d’électrolyseur sont réunis dans une seule canalisation avant d’être envoyés en un seul jet dans le dispositif de dégazage. De même, les mélanges lye-dioxygène provenant de plusieurs stacks sont réunis dans une seule canalisation avant d’être envoyés en un seul jet dans le dispositif de dégazage. L’inventeur a considéré qu'il était possible de ne pas réunir ces jets, de tirer avantage de leur nombre et de les injecter séparément dans le dispositif de dégazage. Dans le cas d’un seul stack d’électrolyseur, l'inventeur a considéré qu’il était possible de diviser le jet de mélange lye-dihydrogène ou lye-dioxygène en deux ou plusieurs jets avant de les injecter dans les dispositifs de dégazage respectifs. Il convient alors de disposer les canalisations d’alimentation de la chambre de dégazage en mélange gaz-liquide de manière à ce que les jets de mélange gaz-liquide introduits dans la chambre de dégazage par ces canalisations d’alimentation interagissent entre eux. Par l'expression « interagir entre eux », on entend que les jets de mélange gaz-liquide se croisent au sein du mélange gaz-lye dans la chambre de dégazage, les bulles de gaz contenues dans le mélange gaz-lye pouvant alors entrer en collision de manière plus probable, rapide et régulière qu’avec un dispositif selon l’art antérieur de sorte à favoriser la création de bulles de gaz plus volumineuses à l’intérieur du mélange gaz-lye lui-même. En d’autres termes, la coalescence des bulles de gaz s’accentue suite au croisement des jets dans le mélange gaz-lye contenu dans le dispositif de séparation gaz-liquide. Par voie de conséquence, le contenu du mélange gaz-lye dans le séparateur gaz- liquide contient des bulles de gaz qui sont plus facilement extraites du mélange gaz-lye à la suite de l'accroissement de leur taille. Le mécanisme d'extraction suit le même schéma que celui décrit dans l’état de l’art antérieur, à savoir que i) les bulles de gaz remontent jusqu'à l'interface gaz-liquide grâce à la gravité ainsi qu’au rapport de densité liquide-gaz, passent dans le volume gazeux au-dessus de l’interface et terminent leur course en s’échappant par la canalisation d'évacuation du gaz de la chambre de dégazage et ii) la phase liquide s'écoule par la canalisation d'évacuation de liquide disposée à la partie inférieure du dispositif de séparation. À dimensions identiques du séparateur gaz-liquide, cette phase liquide renferme nettement moins de bulles de gaz par rapport à celle pouvant être extraite d’un séparateur gaz- liquide traditionnel présentant une alimentation unique.

[0016] La configuration fournissant les meilleures interactions entre les jets entrant dans la chambre de dégazage est de disposer les canalisations d’alimentation de manière à ce que les jets se croisent selon un angle a compris entre 15 et 180°. En dessous de 15°, les jets sont presque parallèles et leurs interactions sont moins fortes. À partir d’un angle a de 90°, les interactions sont optimales. À 180° les jets se rencontrent de manière frontale et les interactions sont maximales.

[0017] Au sens de l’invention, on peut donc injecter des jets gaz-liquide dans la chambre de dégazage du dispositif en deux ou plusieurs jets. On peut prévoir autant de jets qu’on le souhaite. On tiendra toutefois compte du fait qu’en divisant un jet en plusieurs jets, la quantité de mélange lye-gaz et l'énergie des jets entrant sont divisées d’autant. Il convient donc de garder ce nombre raisonnable. Par exemple, on considère qu’il est raisonnable de ne pas diviser le jet entrant en plus de trois jets. On peut toutefois s'affranchir de cette contrainte en fournissant de l’énergie aux jets entrant dans la chambre de dégazage, par exemple en les propulsant ou accélérant au moyen d’une pompe ou d’un injecteur, ou en réduisant la section d’entrée, à savoir en diminuant la section des canalisations d'alimentation.

[0018] La chambre de dégazage du séparateur gaz-liquide peut avoir un axe principal horizontal ou vertical. 5 [0019] Idéalement, l’ouverture d’alimentation en mélange liquide-gaz de la chambre de dégazage se trouve à l'opposé, suivant l’axe principal de ladite chambre de dégazage, d'au moins une des ouvertures de sortie de la chambre de dégazage. Ainsi le liquide ou le gaz suivent respectivement des trajets plus longs dans la chambre de dégazage avant d’être évacués et la séparation est plus efficace.

[0020] Mis à part cela, il est à noter également que l'emplacement précis des ouvertures d'évacuation de la chambre de dégazage n’est pas critique, autrement dit la conception du dispositif de dégazage peut présenter une certaine flexibilité dans le choix de l'emplacement de ces ouvertures. Bien entendu, l’ouverture d’évacuation de la phase liquide dégazée doit être localisée sous l’interface gaz-liquide de la chambre de dégazage, par exemple à travers la paroi de fond ou une des parois latérales de la chambre de dégazage. De même, l’ouverture d'évacuation de la phase gazeuse doit être localisée au-dessus de l’interface gaz-liquide de la chambre de dégazage, par exemple à travers la paroi supérieure ou une des parois latérales de la chambre de dégazage.

[0021] Selon un autre de ses aspects, l’invention se rapporte à une installation d’électrolyse de l’eau comportant un dispositif de dégazage tel que défini ci-avant. L'installation d’électrolyse peut comprendre un électrolyseur alcalin, un électrolyseur à membrane ou un électrolyseur à haute température. De préférence, on utilise un électrolyseur alcalin. Il est possible de prévoir un capteur permettant de détecter la quantité de gaz résiduel en sortie de la chambre de dégazage. L'information mesurée par le capteur étant fournie à un module de contrôle d’une _ vanne permettant, en fonction du niveau de gaz détecté dans le liquide, de réinjecter le liquide évacué de la chambre de dégazage dans la chambre de dégazage afin d'affiner la séparation ou d'alimenter un réservoir intermédiaire au moyen du liquide évacué de la chambre de dégazage où il est mélangé avec la phase liquide provenant de l’autre séparateur gaz-liquide.

[0022] Brèves description des figures

[0023] L'invention va maintenant être décrite au moyen des figures qui n’ont d’autre but que celui d’illustrer la présente invention. Ces figures représentent schématiquement.

[0024] Fig. 1 un dispositif de dégazage selon l’art antérieur disposé horizontalement

[0025] Fig. 2 un dispositif de dégazage selon l’art antérieur disposé verticalement

[0026] Fig. 3 un dispositif de dégazage selon l’invention disposé horizontalement

[0027] Fig. 4 un dispositif de dégazage selon l’invention disposé verticalement

[0028] Sur les Figs.1 à 4, on a représenté différents dispositifs de dégazage 1. Tous contiennent une chambre de dégazage 14. Par exemple gaz-eau ou gaz-lye. Le gaz pouvant être du dihydrogène ou du dioxygène. La chambre de dégazage 14 est alimentée par une canalisation d'alimentation 11 du mélange gaz-liquide provenant du stack d’électrolyseur. Dans certains cas (non représentés sur les figures), la chambre de dégazage 14 peut également être alimentée en mélange gaz-liquide provenant de la canalisation d’évacuation du liquide 12 de la chambre de dégazage 14 au moyen d’une boucle contrôlée par une vanne si un capteur a détecté que la quantité de gaz présent dans l’évacuat de la chambre de dégazage 14 était supérieure à une valeur prédéterminée. La chambre de dégazage 14 comporte encore une canalisation d'évacuation de gaz, gaz ayant été séparé de la phase liquide, qui peut ensuite soit être évacué de l'installation, soit réuni avec le même gaz issu du stack d’électrolyseur. On notera que la — canalisation d’évacuation de gaz 13 est toujours disposée au-dessus de l'interface gaz-liquide 15. Elle peut se trouver par exemple dans la paroi supérieure ou dans la ou une paroi latérale de la chambre de dégazage 14. De même, la canalisation d’évacuation du liquide 12 est toujours disposée sous l’interface gaz liquide 15. Elle peut se trouver par exemple dans la paroi inférieure (paroi de fond) ou dans la ou une paroi latérale de la chambre de dégazage 14. La localisation précise de la canalisation d’évacuation 12 ou 13 n’est pas critique. On voit cependant que dans tous les cas représentés on a disposé la canalisation d'évacuation 12 ou 13 à l’opposé, c’est-à-dire à la distance la plus éloignée de la canalisation d’alimentation 11 de la chambre de dégazage 14 afin de permettre un parcours plus long du liquide dans le dispositif de dégazage 1. On voit également que le dispositif de dégazage peut être disposé suivant un axe A horizontal (Figs. 1 et 3) ou vertical (Figs. 2 et 4) en fonction des impératifs de construction par exemple.

[0029] Les dispositifs de dégazage suivant l’invention représentés aux Figs. 3 et 4 montrent une canalisation d’alimentation 21 supplémentaire par laquelle la chambre de dégazage 14 est alimentée en mélange gaz-liquide. La chambre de dégazage 14 est donc alimentée en mélange — gaz-liquide par les deux canalisations d’alimentation 11 et 21. La Fig. 4 montre également une autre canalisation d’alimentation 22 supplémentaire par laquelle la chambre de dégazage 14 est alimentée en mélange gaz-liquide. La chambre de dégazage 14 est donc alimentée en mélange gaz-liquide par les trois canalisations d’alimentation 11, 21 et 22. On aurait pu inverser les configurations ou même ajouter encore d’autres canalisations d'alimentation en mélange = gaz-liquide dans la chambre de dégazage 14. Dans le mode de réalisation de l’invention illustré, les canalisations d’alimentation sont positionnées dans un même plan vertical. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, les canalisations d’alimentation sont positionnées dans un même plan horizontal.

[0030] Comme expliqué ci-avant, on peut prévoir une pompe pour accélérer le jet injecté dans la chambre de dégazage 14 par la canalisation 11, ou encore par la canalisation 21 ou 22 ou par plusieurs d’entre elles.

[0031] On voit à la Fig. 3 que les jets de mélange gaz-liquide introduits par les canalisations 11 et 21 sont disposés de manière à se croiser suivant un angle a de 90°. Les jets de mélange gaz- liquide introduits par les canalisations 11 et 22 sont disposées de manière à se croiser suivant un angle a de 90°. On voit à la Fig. 3 que la chambre de dégazage 14 contient deux canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide supplémentaires (21 et 22). Lesdites canalisations (21 et 22) sont disposées de manière à ce que les jets provenant des canalisations 11 et 21 se croisent avec un angle d’environ 90°, que les jets provenant des canalisations 11 et 22 se croisent avec un angle d’environ 135° et que les jets provenant des canalisations 21 et 22 se croisent avec un angle d’environ 45°. On aurait également pu prévoir de croiser les trois jets suivant un angle de 90°. A la Fig. 4 on n’a représenté qu’une seule canalisation supplémentaire 21 ; il est bien entendu que d’autres canalisations peuvent encore être ajoutées. Dans d’autres modes de réalisation de l’invention, d’autres configurations caractérisées par d’autres valeurs angulaires sont également à prendre en considération.

[0032] Liste des références des dessins : 1 Dispositif de dégazage 11 Canalisation d’alimentation en mélange gaz-liquide 12 Canalisation d'évacuation du liquide 13 Canalisation d'évacuation du gaz 14 Chambre de séparation gaz-liquide 15 Interface gaz-liquide 21 Canalisations d’alimentation supplémentaire 22 Canalisations d’alimentation supplémentaire

A Axe principal du séparateur gaz-liquide

Claims

Revendications

1. Dispositif de dégazage (1) pour une installation d’électrolyse comprenant une chambre de dégazage (14) munie - d’une ouverture pour une première canalisation d’alimentation (11) en mélange gaz- liquide; - d’une ouverture pour une canalisation (12) d’évacuation du liquide disposée sous le niveau de l'interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14) ; - d’une ouverture pour une canalisation (13) d’évacuation du gaz disposée au-dessus du niveau de l'interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14); caractérisé en ce que la chambre de dégazage (14) comporte - une ou plusieurs ouverture(s) supplémentaire(s) pour une ou plusieurs canalisation(s) d'alimentation supplémentaire(s) (21, 22) en mélange gaz-liquide, lesdites une ou plusieurs canalisation(s) d’alimentation supplémentaire(s) (21,22) en mélange gaz-liquide étant disposée(s) de manière à ce que les jets de mélange gaz-liquide introduits dans la chambre de dégazage (14) par les canalisations d’alimentation (11, 21, 22) interagissent entre eux.

2. Dispositif de dégazage (1) selon la revendication précédente dans lequel la chambre de dégazage (14) comporte une ouverture supplémentaire pour une canalisation d'alimentation supplémentaire (21) en mélange gaz-liquide.

3. Dispositif de dégazage (1) selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage (14) est propulsé ou éjecté dans la chambre de dégazage (14).

4. Dispositif de dégazage (1) selon la revendication précédente dans lequel au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage (14) est accéléré au moyen d’une pompe.

5. Dispositif de dégazage (1) selon l’une des revendications 3 ou 4, dans lequel au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage (14) est accéléré grâce à une réduction de section de la canalisation d’alimentation.

6. Dispositif de dégazage (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins deux jets se croisent avec un angle (a) compris entre 15° et 180°.

7. Dispositif de dégazage (1) selon la revendication précédente dans lequel au moins deux jets se croisent avec un angle (a) compris entre 90° et 180°.

8. Installation d’électrolyse comprenant un dispositif de dégazage selon l’une quelconque des revendications précédentes.

9. Installation d’électrolyse selon la revendication précédente dans laquelle la cellule d'électrolyse fonctionne sur le principe de l’électrolyse alcaline.