EP4669441A1 - Installation d'electrolyse avec dispositif de degazage et méthode associée - Google Patents

Installation d'electrolyse avec dispositif de degazage et méthode associée

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Publication number
EP4669441A1
EP4669441A1 EP24728654.5A EP24728654A EP4669441A1 EP 4669441 A1 EP4669441 A1 EP 4669441A1 EP 24728654 A EP24728654 A EP 24728654A EP 4669441 A1 EP4669441 A1 EP 4669441A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
degassing chamber
degassing
liquid mixture
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24728654.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas MARICAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
John Cockerill Hydrogen Belgium SA
Original Assignee
John Cockerill Hydrogen Belgium SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by John Cockerill Hydrogen Belgium SA filed Critical John Cockerill Hydrogen Belgium SA
Publication of EP4669441A1 publication Critical patent/EP4669441A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0042—Degasification of liquids modifying the liquid flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • Dihydrogen is an alternative to hydrocarbons because it is an easily storable energy vector, unlike electricity, and its oxidation releases very significant energy (285 kJ/mole).
  • AWE alkaline electrolysers
  • PEM membrane electrolysers
  • the system must be supplied with water of very high purity (supplying, in the case of alkaline electrolysers, an electrolytic solution of sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH)).
  • NaOH sodium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • an electrolytic solution (known by the English term lye) is brought into a set of electrolytic cells (known as an electrolyzer stack) through a specific inlet.
  • the electrolytic solution passes through the electrolyzer stack.
  • the water is decomposed into gaseous molecules of dihydrogen, H2, at the cathode), and dioxygen, O2, at the anode.
  • a diaphragm generally separates the anode from the cathode so that, under normal conditions, the dihydrogen and dioxygen do not mix.
  • the installation comprises an outlet for the dihydrogen and the electrolyte flowing on the cathode side (catholyte) and an outlet for the dioxygen and the electrolyte flowing on the anode side (anolyte).
  • catholyte an outlet for the dihydrogen and the electrolyte flowing on the cathode side
  • anolyte an outlet for the dioxygen and the electrolyte flowing on the anode side
  • gas-liquid separators comprise a degassing chamber provided with an opening for a gas-liquid mixture supply pipe, an opening for a liquid discharge pipe arranged below the level of the gas-liquid interface of the degassing chamber and an opening for a gas discharge pipe arranged above the level of the gas-liquid interface of the degassing chamber.
  • Each of the outlets of the electrolyser stack for the dihydrogen-lye mixtures on the one hand and the dioxygen-lye mixtures on the other hand is connected to such a gas-liquid separator.
  • Figs. 1 and 2 schematically represent known gas-liquid separators aligned respectively along a horizontal or vertical main axis A.
  • Gas bubbles still present in the liquid phase can be quantitatively significant, in other words not all the gas bubbles manage to be extracted from the liquid phase in order to be evacuated by an ad hoc evacuation pipe on the upper or side wall of the degassing chamber.
  • the two lye fractions discharged from the gas-liquid separator are combined and mixed in an intermediate tank before being reinjected into the electrolyser stack in a closed loop.
  • each electrolyser stack is connected to a separate degassing device. This configuration therefore tends to generate the design of very large installations.
  • the optimal flow that would be a uniform flow in the direction of the length of the gas-liquid separator can no longer be ensured, which reduces the separation performance.
  • the recirculation phenomenon in turn causes the creation of recirculation pockets. Gas bubbles present at the inlet of the gas-liquid separator at the height of the gas-liquid interface are entrained towards the lower part of the degassing device.
  • this recirculation phenomenon within the gas-lye mixture causes the quantity of gas bubbles at the bottom of the gas-liquid separator to increase drastically, which means that the "residual" liquid phase, leaving the degassing device through the opening for the liquid discharge pipe located on the lower face of the device, contains more gas bubbles and therefore accentuates all the consequences described above with regard to the introduction of the residual gas at the liquid outlet of the degassing device into the electrolyser stack.
  • the gas bubbles were unable to naturally follow the conventional path by first reaching the gas-liquid interface before being spontaneously extracted through the orifice located on the upper face of the gas-liquid separator.
  • the inventor therefore set about eliminating this recirculation phenomenon that he discovered.
  • This objective is achieved by implementing an electrolysis installation comprising at least two electrolyser stacks and a degassing device as defined in claim 1. Indeed, it has been observed that by sizing, aligning and orienting the supply pipes of the degassing device appropriately, it is possible to obtain better homogenization of the flow, i.e. to eliminate or at least very significantly limit the formation of these recirculation currents) and that, quite surprisingly, it is possible to have supply pipes with a lye-gas mixture coming from several electrolyser stacks open into a degassing chamber. without negative consequences on the efficiency of gas-lye separation. As a consequence, it is possible to reduce the overall size of the electrolysis plant.
  • the gas-liquid mixture feed pipes of the degassing chamber are present in an even number and are sized, aligned and oriented in the degassing chamber in an identical manner two by two. It has indeed been observed that it is not absolutely essential to ensure that all the feed pipes are configured identically to obtain the desired effect and that it is sufficient for the feed pipes of the degassing chamber to be paired two by two. In addition to the configurational aspect, this pairing corresponds to the fact that the feed pipes have identical diameters, gas flow rates and lye flow rates. To do this, the paired feed pipes are both connected to electrolyzer stacks producing the same gas flow rate and in which the circulating lye flow rate is similar while considering that the diameter of the feed pipes is identical.
  • the feed lines of the degassing chamber are paired in a linear progression starting from the central pair. This means that the central pair is paired and that, starting from this central pair, each of the following feed lines is paired with the feed line which is symmetrical to it with respect to the central pair.
  • the gas-liquid mixture supply lines of the degassing chamber are present in an odd number and are sized, aligned and oriented in the degassing chamber in an identical manner two by two considering a single central supply line.
  • the notion of matching defined previously considering an even number of supply lines remains valid in the present case with an odd number of supply lines.
  • the supply lines of the degassing chamber are matched following a linear progression starting from the single central line. This means that the central line is unmatched and that, starting from this central line, each of the following supply lines is matched with the supply line which is symmetrical to it with respect to the central line.
  • the gas-liquid mixture supply pipes are aligned along a substantially vertical axis in a wall of the degassing chamber and open into the degassing chamber along a substantially vertical axis.
  • the gas-liquid mixture supply pipes are aligned along a substantially horizontal axis in a wall of the chamber. degassing and open into the degassing chamber along a substantially horizontal axis.
  • the gas-liquid mixture supply pipes of the degassing chamber open into the degassing chamber orthogonally to the wall.
  • the gas-liquid mixture supply pipes of the degassing chamber are equidistant, at least two by two (i.e. the paired supply pipes are arranged symmetrically with respect to the central pair).
  • the gas-liquid mixture supply pipes of the degassing chamber open into the degassing chamber at an identical distance from the wall, at least two by two (i.e. the paired supply pipes open into the degassing chamber at a distance from the wall symmetrically relative to the central pair).
  • the invention relates to a degassing method as defined in claim 8.
  • At least some of the gas-liquid mixture supply pipes to the degassing chamber are present in an even number and are sized, aligned and oriented in the degassing chamber in an identical manner two by two and said some of the supply pipes are supplied with flows with properties identical two by two.
  • the gas-liquid mixture supply lines of the degassing chamber are supplied by flows with a lye flow rate, a gas flow rate, a temperature and a pressure which are identical in pairs.
  • the installation is configured so that the faster jets are furthest from the central pair of supply pipes and the slower jets come from the central pair. Even more preferably, the paired pairs of supply pipes follow a progression in which the speed of the jets increases from the center outward.
  • Fig. 1 a degassing device according to the prior art
  • FIGs. 4 to 8 details of the wall of the degassing chamber of the degassing device showing the configuration of the supply pipes
  • Fig. 9 a degassing device according to the invention seen from above.
  • different degassing devices 1 are shown. All contain a degassing chamber 14.
  • the gas may be dihydrogen or dioxygen.
  • the degassing chamber 14 is supplied by a supply pipe 11 of the gas-liquid mixture coming from the electrolyser stack.
  • the degassing chamber 14 can also be supplied with gas-liquid mixture coming from the liquid discharge pipe 12 of the degassing chamber 14 by means of a loop controlled by a valve if a sensor has detected that the quantity of gas present in the discharge of the degassing chamber 14 was greater than a predetermined value.
  • the degassing chamber 14 also includes a gas discharge pipe which can then either be discharged from the installation or combined with the same gas from the electrolyser stack. It will be noted that the gas discharge pipe 13 is always arranged above the gas-liquid interface 15. It can be located for example in the upper wall or in the or one side wall of the degassing chamber 14. Similarly, the liquid discharge pipe 12 is always arranged below the gas-liquid interface 15.
  • the degassing device 1 can be arranged along a horizontal axis A (Figs. 1 to 3) or vertical axis (not shown) depending on the construction requirements for example.
  • the degassing devices 1 according to the invention shown in Figs. 2 to 9 show at least one additional supply line 21 through which the degassing chamber 14 is supplied with gas-liquid mixture.
  • the degassing chamber 14 is therefore supplied with gas-liquid mixture by the two supply lines 11 and 21.
  • Figs. 4 to 9 also show other additional supply lines 22 and 23 (and 24 in Fig. 8) through which the degassing chamber 14 is supplied with gas-liquid mixture.
  • the degassing chamber 14 of the device of Figs. 4 to 7 and 9 is therefore supplied with gas-liquid mixture by the four supply lines 11, 21, 22 and 23 and that of Fig. 8 by the five supply lines 11, 21, 22, 23 and 24.
  • the configurations could have been reversed or even further supply lines for gas-liquid mixture could have been added to the degassing chamber 14.
  • Fig. 2 therefore shows a degassing device 1 with two supply pipes 11, 21 for gas-lye mixture.
  • the two supply pipes 11, 21 open into the same wall of the degassing chamber 14. They are aligned along a substantially vertical axis and open into the degassing chamber 14. degassing 14 at a substantially identical distance from the wall.
  • the two feed pipes 11, 21 open orthogonally to the wall of the degassing chamber 14 and have symmetrical flows (dotted arrow). This makes it possible to obtain flows producing a homogeneous circulation of the liquid in the degassing chamber 14 (i.e., the substantial elimination of any recirculation current) following the pairing of the feed pipes 11 and 21. Consequently, the residual gas bubbles of the lye-gas mixture are not trapped in recirculation pockets and can escape from the liquid phase, which makes it possible to obtain good separation.
  • the configuration shown in FIG. 3 is also particularly advantageous.

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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 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). Suivant l'invention, la chambre de dégazage (14) comporte en outre une ou plusieurs ouverture(s) supplémentaire(s) pour une ou plusieurs canalisation(s) d'alimentation supplémentaire(s) (21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide, chacune des canalisations d'évacuation du mélange gaz-liquide de chacun des stacks d'électrolyseur est connectée à une canalisation d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14), un dispositif régulateur de débit étant configuré sur chacune des canalisation d'alimentation (11, 21, 22, 23) de manière à ce que les jets injectés dans la chambre de dégazage (14) possèdent des vitesses substantiellement identiques, au moins deux à deux.

Description

Installation d'é et méthode de dé
[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 (H2) et de dioxygène (O2) par électrolyse de l'eau. Selon un premier de ses aspects, l'invention concerne une installation pour la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse de l'eau. Un autre aspect de l'invention concerne une méthode 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 CO2 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 (OH‘) 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. L'eau est décomposée en molécules gazeuses de dihydrogène, H2, à la cathode), et de dioxygène, O2, 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 circulant 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 H2/O2 est hautement explosif. Si la séparation ne s'effectue pas correctement, une quantité importante de gaz, communément appelé « gaz résiduel », est entraînée 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 A horizontal ou vertical. Le document FR-A1-2949479 par exemple, décrit de tels séparateurs gaz-liquide. Un autre séparateur de gaz est connu du document EP- Al-4001464. Dans cette installation, les produits d'électrolyses sont très corrosifs (alcalins) et portés à des températures élevées. L'installation de dégazage doit donc pouvoir résister à ces conditions extrêmes, ce qui oblige de recourir à des matériaux très coûteux tels que les alliages de nickel. Ce document propose une solution suivant laquelle le mélange gaz - liquide à dégazer est introduit en plusieurs fractions. Les fractions les plus chaudes sont introduites directement dans la partie de la chambre de dégazage au-dessus de l'interface gaz-liquide alors que des fractions plus froides sont introduites dans un canal circonscrivant la chambre de dégazage. Le mélange gaz - liquide du canal peut passer dans la chambre de dégazage via un élément de séparation. L'ensemble permet ainsi de refroidir le mélange gaz - liquide dans la chambre de dégazage.
[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 réinjectée 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 une installation d'électrolyse comprenant 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] Un autre problème est celui de la surface occupée par l'installation d'électrolyse. En effet, dans les dispositifs connus, chaque stack d'électrolyseur est relié à un dispositif de dégazage distinct. Cette configuration tend donc à générer la conception d'installations de très grande taille. L'inventeur a observé que si l'on essayait d'alimenter un dispositif de dégazage par les canalisations de sortie gaz-lye de plusieurs stacks d'électrolyseur, le liquide contenu dans le dispositif de dégazage est soumis à des courants provenant de plusieurs canalisations d'alimentation selon des efforts dissymétriques, et un phénomène de mise en rotation de l'écoulement (effet de recirculation) apparaît. Des bulles de gaz sont emprisonnées dans cette recirculation, ce qui contraint leurs mouvements. L'écoulement optimal que serait un écoulement uniforme dans le sens de la longueur du séparateur gaz-liquide ne peut plus être assuré, ce qui réduit les performances de séparation. Le phénomène de recirculation engendre à son tour la création de poches de recirculation. Les bulles de gaz présentes à l'entrée du séparateur gaz-liquide à hauteur de l'interface gaz-liquide sont entraînées vers la partie inférieure du dispositif de dégazage.
[0015] In fine, ce phénomène de recirculation au sein du mélange gaz-lye, fait en sorte que la quantité de bulles de gaz au fond du séparateur gaz-liquide augmente drastiquement, ce qui entraîne que la phase liquide « résiduelle », sortant du dispositif de dégazage par l'ouverture pour la canalisation d'évacuation du liquide localisée sur la face inférieure du dispositif, contient davantage de bulles de gaz et donc accentue toutes les conséquences décrites précédemment vis-à-vis de l'introduction du gaz résiduel en sortie liquide du dispositif de dégazage dans le stack d'électrolyseur. En d'autres termes, les bulles de gaz n'ont pas pu suivre naturellement le chemin conventionnel en rejoignant d'abord l'interface gaz-liquide avant d'être extraites spontanément par l'orifice localisé sur la face supérieure du séparateur gaz- liquide.
[0016] L'inventeur s'est donc attaché à éliminer ce phénomène de recirculation qu'il a découvert.
[0017] Exposé de l'invention
[0018] Cet objectif est atteint en mettant en oeuvre une installation d'électrolyse comprenant au moins deux stacks d'électrolyseur et un dispositif de dégazage telle que définie à la revendication 1. En effet, il a été observé qu'en dimensionnant, alignant et orientant les canalisations d'alimentation du dispositif de dégazage de manière appropriée, on pouvait obtenir une meilleure homogénéisation de l'écoulement, c'est-à-dire supprimer ou du moins limiter très significativement la formation de ces courants de recirculation) et que, de manière tout à fait surprenante, on pouvait faire déboucher dans une chambre de dégazage des canalisations d'alimentation en mélange lye-gaz provenant de plusieurs stacks d'électrolyseur sans conséquence négative sur l'efficacité de la séparation gaz-lye. Par voie de conséquence, il est possible de réduire la taille générale de l'installation d'électrolyse.
[0019] De manière avantageuse, les canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage sont présentes en nombre pair et sont dimensionnées, alignées et orientées dans la chambre de dégazage de manière identiques deux à deux. Il a en effet été observé qu'il n'était pas absolument indispensable de faire en sorte que toutes les canalisations d'alimentation soient configurées de manière identique pour obtenir l'effet recherché et qu'il est suffisant que les canalisations d'alimentation de la chambre de dégazage soient appariées deux à deux. En plus de l'aspect configurationnel, cet appariement correspond au fait que les canalisations d'alimentation présentent des diamètres, des débits de gaz et des débits de lye identiques. Pour ce faire, les canalisations d'alimentation appariées sont toutes deux connectées à des stacks d'électrolyseur produisant le même débit de gaz et dans lesquelles le débit de lye circulant est similaire tout en considérant que le diamètre des canalisations d'alimentation soit identique. De manière encore plus avantageuse, les canalisations d'alimentation de la chambre de dégazage sont appariées suivant une progression linéaire en partant de la paire centrale. Ceci signifie que la paire centrale est appariée et que, partant de cette paire centrale, chacune des canalisations d'alimentation suivante est appariée avec la canalisation d'alimentation qui lui est symétrique par rapport à la paire centrale.
[0020] Suivant un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, les canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage sont présentes en nombre impair et sont dimensionnées, alignées et orientées dans la chambre de dégazage de manière identiques deux à deux en considérant une canalisation d'alimentation centrale unique. La notion d'appariement définie précédemment en considérant un nombre pair de canalisations d'alimentation reste valable dans le cas présent avec un nombre impair de canalisations d'alimentation. De manière encore plus avantageuse, les canalisations d'alimentation de la chambre de dégazage sont appariées suivant une progression linéaire en partant de la canalisation centrale unique. Ceci signifie que la canalisation centrale est non appariée et que, partant de cette canalisation centrale, chacune des canalisations d'alimentation suivante est appariée avec la canalisation d'alimentation qui lui est symétrique par rapport à la canalisation centrale.
[0021] Selon un mode préféré de l'invention, les canalisations d'alimentation en mélange gaz- liquide sont alignées selon un axe substantiellement vertical dans une paroi de la chambre de dégazage et débouchent dans la chambre de dégazage suivant un axe substantiellement vertical.
[0022] Selon un mode préféré de l'invention, les canalisations d'alimentation en mélange gaz- liquide sont alignées selon un axe substantiellement horizontal dans une paroi de la chambre de dégazage et débouchent dans la chambre de dégazage suivant un axe substantiellement horizontal.
[0023] Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, les canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage débouchent dans la chambre de dégazage de manière orthogonale à la paroi.
[0024] Selon un autre mode préféré de l'invention, les canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage sont équidistantes, au moins deux à deux (c'est-à-dire que les canalisations d'alimentation appariées sont disposées symétriquement par rapport à la paire centrale).
[0025] Selon une autre variante de l'invention, les canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage débouchent dans la chambre de dégazage à une distance de la paroi identique, au moins deux à deux (c'est-à-dire que les canalisations d'alimentation appariées débouchent dans la chambre de dégazage à une distance de la paroi symétriquement par rapport à la paire centrale).
[0026] Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne une méthode de dégazage telle que définie à la revendication 8.
[0027] Avantageusement, au moins certaines des canalisations d'alimentation en mélange gaz- liquide de la chambre de dégazage sont présentes en nombre pair et sont dimensionnées, alignées et orientées dans la chambre de dégazage de manière identique deux à deux et on alimente lesdites certaines des canalisations d'alimentation par des écoulements aux propriétés identiques deux à deux.
[0028] De manière plus avantageuse encore, on alimente les canalisations d'alimentation en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage par des écoulements avec un débit de lye, un débit de gaz , une température et une pression identiques deux à deux.
[0029] De manière préférée, l'installation est configurée de manière à ce que les jets les plus rapides se retrouvent les plus éloignés de la paire centrale des canalisations d'alimentation et les jets les plus lents proviennent de la paire centrale. De manière encore plus préférée, les paires de canalisations d'alimentation appariées suivent une progression suivant laquelle la vitesse des jets augmente depuis le centre vers l'extérieur.
[0030] Brève description des figures
[0031] 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 :
[0032] Fig. 1 un dispositif de dégazage selon l'art antérieur
[0033] Figs. 2 et 3, des dispositifs de dégazage selon l'invention
[0034] Figs. 4 à 8, des détails de la paroi de la chambre de dégazage du dispositif de dégazage montrant la configuration des canalisations d'alimentation
[0035] Fig. 9, un dispositif de dégazage selon l'invention vu de dessus [0036] Sur les Figs.l à 9, 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 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. Le dispositif de dégazage 1 peut être disposé suivant un axe A horizontal (Figs. 1 à 3) ou vertical (non représenté) en fonction des impératifs de construction par exemple.
[0037] Les dispositifs de dégazage 1 suivant l'invention représentés aux Figs. 2 à 9 montrent au moins 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. Les Figs. 4 à 9 montrent également d'autres canalisations d'alimentation 22 et 23 (et 24 à la Fig. 8) supplémentaires par laquelle la chambre de dégazage 14 est alimentée en mélange gaz-liquide. La chambre de dégazage 14 du dispositif des Figs. 4 à 7 et 9 est donc alimentée en mélange gaz-liquide par les quatre canalisations d'alimentation 11, 21, 22 et 23 et celle de la Fig. 8 par les cinq canalisations d'alimentation 11, 21, 22, 23 et 24. 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.
[0038] La Fig. 2 montre donc un dispositif de dégazage 1 avec deux canalisations d'alimentation 11, 21 en mélange gaz-lye. Comme on peut le voir, les deux canalisations d'alimentation 11, 21 débouchent dans la même paroi de la chambre de dégazage 14. Elles sont alignées selon un axe substantiellement vertical et débouchent dans la chambre de dégazage 14 à une distance substantiellement identique de la paroi. On voit également que les deux canalisations d'alimentation 11, 21 débouchent de manière orthogonale par rapport à la paroi de la chambre de dégazage 14 et présentent des écoulement symétriques (flèche pointil lée). Ceci permet d'obtenir des écoulements produisant une circulation homogène du liquide dans la chambre de dégazage 14 (c'est-à-dire, l'élimination substantielle de tout courant de recirculation) suite à l'appariement des canalisations d'alimentation 11 et 21. Par voie de conséquence, les bulles de gaz résiduelles du mélange lye-gaz ne sont pas piégées dans des poches de recirculation et peuvent s'échapper de la phase liquide ce qui permet d'obtenir une bonne séparation. Il convient de noter que la configuration représentée à la Fig. 3 est également particulièrement avantageuse.
[0039] La Fig. 3 montre donc un dispositif de dégazage 1 avec quatre canalisations d'alimentation 11, 21, 22 et 23 en mélange gaz-lye. Comme on peut le voir, les quatre canalisations d'alimentation 11, 21, 22 et 23 débouchent dans la même paroi de la chambre de dégazage 14, présentant l'appariement suivant, 11 avec 23 et 21 avec 22. Elles sont alignées selon un axe substantiellement vertical et débouchent dans la chambre de dégazage 14 à une distance substantiellement identique de la paroi. On voit également que les quatre canalisations d'alimentation 11, 21, 22 et 23 débouchent de manière orthogonale par rapport à la paroi de la chambre de dégazage 14. La paire de canalisations d'alimentation 21 et 22 constituent la paire centrale.
[0040] Les Figs. 4 à 7 représentent chacune les détails d'une configuration différente des canalisations d'alimentations 11, 21, 22 et 23 débouchant dans la chambre de dégazage 14. Ces Figs, montrent quatre canalisations d'alimentation débouchant dans la chambre de dégazage 14, mais on aurait pu tout aussi bien illustrer l'invention avec six, huit, dix, etc. canalisations d'alimentation en suivant les principes illustrés. En d'autres termes, l'inventeur a clairement mis en évidence que, peu importe la configuration géométrique proposée (nombre pair ou impair de canalisations d'alimentation débouchant dans la chambre de dégazage 14), les canalisations d'alimentation appariées sont alimentées par des écoulements dont les propriétés sont identiques.
[0041] Dans toutes ces Figs., les canalisations d'alimentation 11, 21, 22 et 23 débouchent dans la chambre de dégazage 14. Dans les Figs. 4 à 6, les canalisations d'alimentation 21, 22 de la paire centrale sont relativement proches et les canalisations d'alimentation 11, 23 de la paire externe débouchent de part et d'autre de la paire centrale 21, 22 à une distance par rapport à la canalisation d'alimentation la plus proche de la paire centrale qui est plus éloignée que celle entre les deux canalisations d'alimentation de la paire centrale. La Fig. 4 illustre une configuration dans laquelle les quatre canalisations d'alimentation débouchent dans la chambre de dégazage 14 à une distance identique de la paroi. La Fig. 5 illustre une configuration dans laquelle les deux canalisations d'alimentation de la paire centrale débouchent à une distance supérieure de la paroi que les deux canalisations d'alimentation de la paire externe et la Fig. 6, la configuration inverse. La Fig. 7 illustre une configuration dans laquelle les canalisations d'alimentation 21, 22 de la paire centrale sont relativement éloignées et les canalisations d'alimentation 11, 23 de la paire externe débouchent de part et d'autre de la paire centrale 21, 22 à une distance par rapport à la canalisation d'alimentation la plus proche de la paire centrale qui est plus proche que celle entre les deux canalisations d'alimentation de la paire centrale.
[0042] Afin de permettre une circulation homogène des liquides dans le dispositif de dégazage 1, on peut également prévoir dans l'installation d'électrolyse qu'un dispositif régulateur de débit (non représenté) soit configuré sur chacune des canalisations d'alimentation 11, 21, 22, 23 de manière à ce que les jets injectés dans la chambre de dégazage 14 possèdent des vitesses substantiellement identiques, au moins deux à deux.
[0043] La Fig. 8, illustre un mode de réalisation dans lequel, outre les canalisations d'alimentation appariées 11, 21, 22 et 23, le dispositif comprend une canalisation d'alimentation supplémentaire 24 qui est centrale.
[0044] La Fig. 9 montre un autre mode de réalisation du dispositif de dégazage dans lequel les canalisations d'alimentation 11, 21, 22 et 23 qui débouchent dans la chambre de dégazage sont alignées sont alignées selon un axe substantiellement horizontal.
[0045] Liste des références des dessins :
I Dispositif de dégazage
II 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 Canalisation d'alimentation supplémentaire
22 Canalisation d'alimentation supplémentaire
23 Canalisation d'alimentation supplémentaire
24 Canalisation d'alimentation supplémentaire

Claims

Revendications
1. Installation d'électrolyse comprenant au moins deux stacks d'électrolyseur et un dispositif de dégazage (1) 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 d'évacuation (12) du liquide disposée sous le niveau de l'interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14) ;
- d'une ouverture pour une canalisation d'évacuation (13) du gaz disposée au-dessus du niveau de l'interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14) ; la chambre de dégazage (14) comportant
- une ou plusieurs ouverture(s) supplémentaire(s) pour une ou plusieurs canalisation(s) d'alimentation supplémentaire(s) (21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide, dans laquelle chacune des canalisations d'évacuation du mélange gaz-liquide de chacun des stacks d'électrolyseur est connectée à une canalisation d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14), un dispositif régulateur de débit étant configuré sur chacune des canalisation d'alimentation appariées (11, 21, 22, 23) de manière à ce que les jets injectés dans la chambre de dégazage (14) possèdent des vitesses substantiellement identiques, au moins deux à deux.
2. Installation d'électrolyse suivant la revendication 1, dans laquelle les paires de canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14) sont appariées suivant une progression linéaire en partant de la paire la plus centrale (21, 22).
3. Installation d'électrolyse suivant la revendication 1 ou 2, dans laquelle une canalisation d'alimentation supplémentaire (24) est disposée au centre des canalisations d'alimentation appariées (11, 21, 22, 23).
4. Installation d'électrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14) sont alignées selon un axe substantiellement vertical ou horizontal dans une paroi de la chambre de dégazage (14).
5. Installation d'électrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14) débouchent dans la chambre de dégazage (14) de manière orthogonale à la paroi.
6. Installation d'électrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canalisations d'alimentation appariées (11, 21, 22, 23) en mélange gaz- liquide de la chambre de dégazage (14) sont équidistantes par rapport au centre, au moins deux à deux.
7. Installation d'électrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canalisations d'alimentation appariées (11, 21, 22, 23) en mélange gaz- liquide de la chambre de dégazage (14) débouchent dans la chambre de dégazage (14) à une distance de la paroi identique, au moins deux à deux.
8. Méthode de dégazage d'un mélange gaz-liquide d'une installation d'électrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle
- une partie du mélange gaz-liquide est introduite par la première canalisation d'alimentation (11) dans la chambre de dégazage (14) du dispositif de dégazage,
- le liquide est évacué de la chambre de dégazage (14) par une canalisation d'évacuation (12) du liquide disposée sous le niveau de l'interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14) ;
- le gaz est évacué de la chambre de dégazage (14) par une canalisation d'évacuation (13) du gaz disposée au-dessus du niveau de l'interface gaz-liquide (15) de la chambre de dégazage (14) ;
- une ou plusieurs autre(s) partie(s) du mélange gaz-liquide est (sont) introduite(s) par une ou plusieurs canalisation(s) d'alimentation supplémentaire(s) (21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14), caractérisée en ce que le mélange gaz-liquide est injecté dans la chambre de dégazage (14) par les canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) avec des vitesses substantiellement identiques, au moins deux à deux.
9. Méthode de dégazage suivant la revendication 8 dans laquelle au moins certaines des canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) en mélange gaz- liquide de la chambre de dégazage (14) sont présentes en nombre pair et sont dimensionnées, alignées et orientées dans la chambre de dégazage (14) de manière identique deux à deux et dans laquelle on alimente lesdites certaines des canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) par des écoulements aux propriétés identiques deux à deux.
10. Méthode de dégazage suivant la revendication 9 dans laquelle on alimente les canalisations d'alimentation (11, 21, 22, 23, 24) en mélange gaz-liquide de la chambre de dégazage (14) par des écoulements avec un débit de lye, un débit de gaz , une température et une pression identiques deux à deux.
11. Méthode de dégazage suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10 dans laquelle les jets les plus rapides se retrouvent les plus éloignés du centre des canalisations d'alimentation et les jets les plus lents proviennent de la paire centrale (21, 22) ou de la canalisation d'alimentation centrale unique non appariée (24).
12. Méthode de dégazage suivant la revendication précédente dans laquelle les paires de canalisations d'alimentation appariées suivent une progression suivant laquelle la vitesse des jets augmente depuis la paire centrale vers la paire la plus externe.
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