EP4673242A1 - Dispositif de dégazage pour une installation d'électrolyse et installation d'électrolyse - Google Patents

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

Info

Publication number
EP4673242A1
EP4673242A1 EP24730035.3A EP24730035A EP4673242A1 EP 4673242 A1 EP4673242 A1 EP 4673242A1 EP 24730035 A EP24730035 A EP 24730035A EP 4673242 A1 EP4673242 A1 EP 4673242A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
degassing
liquid
degassing chamber
jets
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
EP24730035.3A
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 EP4673242A1 publication Critical patent/EP4673242A1/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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of electrolysis and more particularly to an electrolysis installation for the production of dihydrogen (H2) and dioxygen (O2) by electrolysis of water.
  • the invention relates to a degassing device which can be used in an installation for the production of dihydrogen and dioxygen by electrolysis of water.
  • Another aspect of the invention relates to an installation for the production of dihydrogen and dioxygen by electrolysis of water containing such a degassing device.
  • Yet another aspect of the invention relates to a degassing method.
  • 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 do not mix.
  • the installation includes an outlet for the dihydrogen and the electrolyte flowing on the cathode side (catholyte) and an outlet for the dioxygen and the electrolyte 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 on the anode side
  • These 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.
  • FIG. 1 and 2 schematically represent known gas-liquid separators aligned respectively along a horizontal or vertical main axis A.
  • Document FR-A1-2949479 for example describes such gas-liquid separators.
  • Another gas separator is known from document EP-A1-4001464.
  • the electrolysis products are very corrosive (alkaline) and brought to high temperatures.
  • the degassing installation must therefore be able to withstand these extreme conditions, which requires the use of very expensive materials such as nickel alloys.
  • This document proposes a solution according to which the gas-liquid mixture to be degassed is introduced in several fractions.
  • the hottest fractions are introduced directly into the part of the degassing chamber above the gas-liquid interface while colder fractions are introduced into a channel circumscribing the degassing chamber.
  • the gas-liquid mixture from the channel can pass into the degassing chamber via a separation element.
  • the assembly thus makes it possible to cool the mixture in the degassing chamber.
  • the principle of extraction of gas bubbles from the liquid phase is based on Archimedes' principle. The efficiency of the separation depends mainly on gravity and the difference in density between the liquid and gas phases but also on viscosity (friction of the gas bubbles in the liquid part).
  • the gas-liquid mixture must therefore reside long enough in the degassing chamber to allow all of the gas bubbles to be extracted from the lye.
  • gas-liquid separators In the remainder of the description, such gas-liquid separators will be referred to as gravity gas-liquid separators. These gravity gas-liquid separators are characterized by substantial dimensions. In some gas-liquid separators, equipment can be inserted to accelerate the separation (for example a honeycomb structure) or to standardize the flow and have a uniform residence time for all the flow lines. Gas bubbles still present in the liquid phase can be quantitatively significant, i.e. not all gas bubbles can 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. This poses several problems. As already indicated above, the efficiency of the electrolyser stack suffers from this gas loss.
  • the two lye fractions evacuated from the gas-liquid separator are combined and mixed in an intermediate tank before being reinjected into the electrolyser stack in a closed loop. Due to the incomplete separation, a potentially significant amount of residual dihydrogen and dioxygen can be reinjected into the electrolyser stack so that the residual dioxygen ends up on the cathode side while the dihydrogen goes towards the anode.
  • the gas mixture dihydrogen/dioxygen is explosive even at a fairly low concentration and this situation is dangerous for personnel and the installation. The gases thus produced also have a very poor purity which requires an additional purification step.
  • this problem has been solved with a degassing device according to claim 1.
  • the lye-dihydrogen mixtures from several electrolyzer stacks are combined in a single pipe before being sent in a single jet into the degassing device.
  • the lye-dioxygen mixtures from several stacks are combined in a single pipe before being sent in a single jet into the degassing device.
  • the inventor considered that it was possible not to combine these jets, to take advantage of their number and to inject them separately into the degassing device.
  • the inventor considered that it was possible to divide the lye-dihydrogen or lye-dioxygen mixture jet into two or more jets before injecting them into the respective degassing devices. It is then appropriate to arrange the supply pipes of the gas-liquid mixture degassing chamber in such a way that the jets of gas-liquid mixture introduced into the degassing chamber by these supply pipes interact with each other.
  • the expression "interact with each other” means that the jets of gas-liquid mixture cross within the gas-lye mixture in the degassing chamber, the gas bubbles contained in the gas-lye mixture then being able to collide more likely, quickly and regularly than with a device according to the prior art so as to promote the creation of larger gas bubbles within the gas-lye mixture itself.
  • the coalescence of the gas bubbles is accentuated following the crossing of the jets in the gas-lye mixture contained in the gas-liquid separation device.
  • the content of the gas-lye mixture in the gas-liquid separator contains gas bubbles which are more easily extracted from the gas-lye mixture as a result of their increased size.
  • the extraction mechanism follows the same pattern as that described in the prior art, namely that i) the gas bubbles rise to the gas-liquid interface by gravity and the liquid-gas density ratio, pass into the gas volume above the interface and end their course by escaping through the gas discharge pipe of the degassing chamber and ii) the liquid phase flows through the liquid discharge pipe arranged at the bottom of the separation device.
  • this liquid phase contains significantly fewer gas bubbles compared to that which can be extracted from a traditional gas-liquid separator with a single feed.
  • the configuration providing the best interactions between the jets entering the degassing chamber is to arrange the feed pipes so that the jets cross at an angle a of between 15 and 180°. Below 15°, the jets are almost parallel and their interactions are less strong. From an angle a of 90°, the interactions are optimal. At 180° the jets meet head-on and the interactions are maximal.
  • gas-liquid jets can therefore be injected into the degassing chamber of the device in two or more jets.
  • many jets as desired can be provided.
  • the quantity of lye-gas mixture and the energy of the incoming jets are divided accordingly. It is therefore appropriate to keep this number reasonable. For example, it is considered reasonable not to divide the incoming jet into more than three jets.
  • this constraint can be overcome by providing energy to the jets entering the degassing chamber, for example by propelling or accelerating them by means of a pump or an injector, or by reducing the inlet section, namely by reducing the section of the supply pipes.
  • the degassing chamber of the gas-liquid separator may have a horizontal or vertical main axis.
  • the liquid-gas mixture feed opening of the degassing chamber is located opposite, along the main axis of said degassing chamber, at least one of the outlet openings of the degassing chamber.
  • the liquid or the gas respectively follow longer paths in the degassing chamber before being evacuated and the separation is more efficient.
  • the precise location of the discharge openings of the degassing chamber is not critical, i.e. the design of the degassing device may have some flexibility in choosing the location of these openings.
  • the discharge opening for the degassed liquid phase must be located below the gas-liquid interface of the degassing chamber, for example through the bottom wall or one of the side walls of the degassing chamber.
  • the discharge opening for the gaseous phase must be located above the gas-liquid interface of the degassing chamber, for example through the top wall or one of the side walls of the degassing chamber.
  • the invention relates to a water electrolysis installation comprising a degassing device as defined above.
  • the electrolysis installation may comprise an alkaline electrolyser, a membrane electrolyser or a high-temperature electrolyser.
  • an alkaline electrolyser is used. It is possible to provide a sensor for detecting the quantity of residual gas at the outlet of the degassing chamber.
  • the information measured by the sensor is supplied to a control module of a valve allowing, depending on the level of gas detected in the liquid, to reinject the liquid evacuated from the degassing chamber into the degassing chamber in order to refine the separation or to feed an intermediate tank with the liquid discharged from the degassing chamber where it is mixed with the liquid phase coming from the other gas-liquid separator.
  • the invention also relates to a method for degassing a gas-liquid mixture from an electrolysis installation as described above. According to this method of the invention,
  • the jets of gas-liquid mixture introduced into the degassing chamber by the supply pipes intersect within the gas-lye mixture in the degassing chamber.
  • at least one of the jets injected into the degassing chamber is accelerated, propelled or ejected into the degassing chamber.
  • Fig. 1 a degassing device according to the prior art arranged horizontally
  • Fig. 2 a degassing device according to the prior art arranged vertically
  • Fig. 3 a degassing device according to the invention arranged horizontally
  • Fig. 4 a degassing device according to the invention arranged vertically
  • Figs. 1 to 4 different degassing devices 1 are shown. All contain a degassing chamber 14.
  • 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 comprises a gas discharge pipe, gas having been separated from the liquid phase, which can then either be discharged from the installation or combined with the same gas from the electrolyser stack.
  • 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.
  • the liquid discharge pipe 12 is always arranged below the gas-liquid interface 15. It can be located for example in the lower wall (bottom wall) or in the or one side wall of the degassing chamber 14. The precise location of the discharge pipe 12 or 13 is not critical.
  • the discharge pipe 12 or 13 has been arranged opposite, that is to say at the furthest distance from the supply pipe 11 of the degassing chamber 14 in order to allow a longer path for the liquid in the degassing device 1. It can also be seen that the degassing device can be arranged along a horizontal axis A (Figs. 1 and 3) or vertical axis (Figs. 2 and 4) depending on the construction requirements for example.
  • the degassing devices according to the invention shown in Figs. 3 and 4 show an 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.
  • Fig. 4 also shows another additional supply line 22 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 three supply lines 11, 21 and 22.
  • the supply lines 11 and 21 intersect at least partially within the gas-lye mixture in the degassing chamber 14.
  • the trajectories of the jets emerging from these lines therefore have a partial or, preferably, total intersection.
  • An additional supply line 22 is visible in Fig. 4.
  • the three jets intersect in the same area of the degassing device, this embodiment is advantageous but is not essential. Furthermore, the configurations could have been reversed or even further supply lines for gas-liquid mixture could have been added to the degassing chamber 14. In the illustrated embodiment of the invention, the supply lines are positioned in the same vertical plane. In another embodiment of the invention, the supply lines are positioned in the same horizontal plane.
  • a pump can be provided to accelerate the jet injected into the degassing chamber 14 via the pipe 11, or via the pipe 21 or 22 or via several of them.
  • the jets of gas-liquid mixture introduced by the pipes 11 and 21 are arranged so as to cross at an angle a of 90°.
  • the jets of gas-liquid mixture introduced by the pipes 11 and 22 are arranged so as to cross at an angle a of 90°.
  • the degassing chamber 14 contains two additional gas-liquid mixture supply pipes (21 and 22). Said pipes (21 and 22) are arranged so that the jets coming from pipes 11 and 21 intersect at an angle of approximately 90°, that the jets coming from pipes 11 and 22 intersect at an angle of approximately 135° and that the jets coming from pipes 21 and 22 intersect at an angle of approximately 45°.

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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 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) se croisent au sein du mélange gaz-lye dans la chambre de dégazage (14).

Description

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 (H2) et de dioxygène (O2) 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. Encore 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 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 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 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. A 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. A partir d'un angle a de 90°, les interactions sont optimales. A 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.
[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] Selon encore un autre de ses aspects, l'invention se rapporte également à une méthode de dégazage d'un mélange gaz-liquide d'une installation d'électrolyse telle que décrite ci-avant. Suivant cette méthode de l'invention,
- une partie du mélange gaz-liquide est introduite par la première canalisation d'alimentation dans le dispositif de dégazage,
- une ou plusieurs autres parties du mélange gaz-liquide est (sont) introduites par une ou plusieurs canalisation(s) d'alimentation supplémentaire(s) dans la chambre de dégazage. Conformément à l'invention, les jets de mélange gaz-liquide introduits dans la chambre de dégazage par les canalisations d'alimentation se croisent au sein du mélange gaz-lye dans la chambre de dégazage. Avantageusement, au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage est accéléré, propulsé ou éjecté dans la chambre de dégazage.
[0023] Brèves description des figures
[0024] 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.
[0025] Fig. 1 un dispositif de dégazage selon l'art antérieur disposé horizontalement [0026] Fig. 2 un dispositif de dégazage selon l'art antérieur disposé verticalement [0027] Fig. 3 un dispositif de dégazage selon l'invention disposé horizontalement [0028] Fig. 4 un dispositif de dégazage selon l'invention disposé verticalement
[0029] Sur les Figs.l 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.
[0030] 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. Les canalisations d'alimentation 11 et 21 se croisent au moins partiellement au sein du mélange gaz-lye dans la chambre de dégazage 14. Les trajectoires des jets débouchant de ces canalisations présentent donc une intersection partielle ou, de préférence, totale. Une canalisation d'alimentation 22 supplémentaire est visible à la Fig. 4. Sur cette figure, les trois jets se croisent dans la même zone du dispositif de dégazage, ce mode de réalisation est avantageux mais n'est toutefois pas indispensable. En outre, 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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) se croisent au sein du mélange gaz-lye dans la chambre de dégazage (14).
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 la revendication précédente comprenant en outre une pompe configurée pour accélérer au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage (14).
4. Dispositif de dégazage (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, comprenant en outre une réduction de section de la canalisation d'alimentation configurée pour accélérer au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage (14).
5. 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°.
6. 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°.
7. Installation d'électrolyse comprenant un dispositif de dégazage selon l'une quelconque des revendications précédentes.
8. Installation d'électrolyse selon la revendication précédente dans laquelle la cellule d'électrolyse fonctionne sur le principe de l'électrolyse alcaline.
9. Méthode de dégazage d'un mélange gaz-liquide d'une installation d'électrolyse suivant la revendication 7 dans laquelle
- une partie du mélange gaz-liquide est introduite par la première canalisation d'alimentation (11) dans le dispositif de dégazage, - 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) dans la chambre de dégazage (14), dans laquelle les jets de mélange gaz-liquide introduits dans la chambre de dégazage
(14) par les canalisations d'alimentation (11, 21, 22) se croisent au sein du mélange gaz- lye dans la chambre de dégazage (14).
10. Méthode de dégazage suivant la revendication 9, dans laquelle au moins un des jets injectés dans la chambre de dégazage (14) est accéléré, propulsé ou éjecté dans la chambre de dégazage (14).
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