FR2664746A1 - Installation for producing electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
La presente invention est relative a une installation de productionThe present invention relates to a production installation
d'énergie électrique qui comprend une cellule de combustible nécessitant une alimentation en hydrogène gazeux et une alimentation en oxygene gazeux pour produire une énergie électri- electrical energy which includes a fuel cell requiring a supply of gaseous hydrogen and a supply of gaseous oxygen to produce electrical energy
que de sortie.that out.
L'invention a été développée principalement, bien que non exclusivement, dans le but de créer une installation de production d'énergie électrique qui soit particulièrement adaptée pour être utilisée dans The invention has been developed mainly, although not exclusively, with the aim of creating an installation for producing electrical energy which is particularly suitable for use in
un sous-marin Pour le besoin de la présente descrip- a submarine For the purpose of this descrip-
tion, on décrira l'application d'une installation de production d'énergie électrique suivant l'invention destinée à être utilisée dans un sous-marin, bien que l'on comprenne que l'invention est susceptible d'être appliquée en général en vue d'une utilisation dans d'autres environnements dans lesquels les ressources tion, we will describe the application of an installation for producing electrical energy according to the invention intended for use in a submarine, although it will be understood that the invention is capable of being applied in general in for use in other environments where resources
en air/oxygéne peuvent être limitées ou non disponi- air / oxygen may be limited or unavailable
bles, y compris l'utilisation dans les véhicules spa- bles, including use in space vehicles
tiaux, tels que des véhicules orbitaux et des satel- such as orbital vehicles and satellites
lites artificiels ou pour une utilisation d'urgence artificial lites or for emergency use
dans des environnements dangereux telles que des opé- in hazardous environments such as operations
rations de secours dans les mines.relief rations in mines.
Il est de pratique courante pour des sous- It is common practice for sub-
marins circulant dans les océans, qui ne sont pas pro- sailors circulating in the oceans, which are not pro-
pulsés par un réacteur nucléaire, d'utiliser un moteur pulsed by a nuclear reactor, to use an engine
diesel pour leur propulsion en surface ou en demi- diesel for surface or half propulsion
plongée et des batteries en immersion totale Le pro- diving and fully immersed batteries The pro-
blème principal avec les sous-marins diesel/électrique réside dans le fait que la capacité des batteries limite fortement la durée d'immersion totale du navire, et le besoin se fait par conséquent sentir d'une source d'énergie qui soit capable d'accroitre de The main problem with diesel / electric submarines is that the capacity of the batteries greatly limits the total immersion time of the ship, and there is therefore a need for an energy source capable of increase by
capacité opérationnelle en immersion pour un sous- operational capacity in immersion for a sub-
marin à l'intérieur des contraintes physiques et opérationnelles imposées par un sous-marin De telles contraintes comprennent des limites d'espace et de poids de l'installation de conversion d'énergie, des exigences volumétriques de combustible(s) et des problèmes de flottabilité créés par l'allégement croissant à mesure que le ou les combustibles est ou seaman within the physical and operational constraints imposed by a submarine Such constraints include space and weight limits of the power conversion facility, volumetric fuel (s) requirements and problems of buoyancy created by increasing relief as the fuel (s) is or is
sont consommés.are consumed.
Un dispositif d'alimentation en énergie An energy supply device
possible, connu sous le nom de système diesel à recy- possible, known as a recycle diesel system
clage utilise un moteur diesel classique aspirant de l'oxygène dilué avec de la vapeur et/ou du gaz d'échappement en un cycle fermé auto- contenu Bien qu un tel système accroisse l'endurance d un sous-marin alimenté seulement par des batteries, il souffre des inconvénients du poids total, du volume de clage uses a conventional diesel engine aspirating oxygen diluted with steam and / or exhaust gas in a self-contained closed cycle Although such a system increases the endurance of a submarine powered only by batteries , it suffers from the disadvantages of the total weight, the volume of
combustible et de l'oxygène nécessaire, de l'élimina- fuel and oxygen required, eliminating
tion du produit de combustion et du bruit. combustion product and noise.
Bien que d'autres variantes du dispositif de conversion d'énergie à moteur diesel soient connues, aucun d'entre eux n'offre des avantages significatifs Although other variants of the diesel power conversion device are known, none of them offers significant advantages
pour cette application Le rendement de la conversion '- for this application The conversion yield '-
d'énergie d'un générateur diesel est de 20 à 30 Z. Cependant, les cellules à combustible qui convertissent directement de l'énergie chimique en énergie électrique ont un rendement de conversion d'énergie éprouvé de 50 à 60 % Ainsi, si une cellule à combustible fiable capable de produire l'énergie de sortie requise pouvait être combinée avec un moyen satisfaisant d'emmagasinage pour les réactifs, un système de production d'énergie appropriée pour un The energy of a diesel generator is 20 to 30%. However, fuel cells that directly convert chemical energy into electrical energy have a proven energy conversion efficiency of 50 to 60%. reliable fuel cell capable of producing the required output energy could be combined with a satisfactory means of storage for the reagents, an energy production system suitable for a
sous-marin immergé pourrait être fourni. submerged submarine could be provided.
Divers types de cellules de combustible ont été l'objet d'efforts considérables de développement et offrent à présent des performances spécifiques élevées avec une fiabilité démontrée Un premier type de cellule combine de l'oxygène et de l'hydrogène gazeux de pureté élevée pour former de l'eau avec la production de quantités importantes d'énergie électrique Une telle cellule de combustible peut être mise en route aisément, l'énergie de sortie peut être modifiée automatiquement et le fonctionnement de la cellule est virtuellement silencieux Le problème réside dans la fourniture d'oxygène et d'hydrogène gazeux de pureté élevée L'oxygène et l'hydrogène sont tous deux des gaz permanents et ne peuvent donc être Various types of fuel cells have been the subject of considerable development efforts and now offer high specific performance with demonstrated reliability. A first type of cell combines oxygen and hydrogen gas of high purity to form water with the production of significant quantities of electrical energy Such a fuel cell can be started easily, the output energy can be modified automatically and the operation of the cell is virtually silent The problem lies in the supply oxygen and hydrogen gas of high purity Oxygen and hydrogen are both permanent gases and therefore cannot be
liquéfiés à des températures normales par l'applica- liquefied at normal temperatures by the applica-
tion d'une pression Les gaz peuvent ainsi être stockés soit sous forte pression dans des cylindres ce qui entraîne un handicap pour le poids des récipients et le volume des gaz qui pourraient être emmagasinés, ou sous forme de liquides cryogéniques ce qui risque de créer des problèmes d'espace, des problèmes de tion of a pressure The gases can thus be stored either under high pressure in cylinders which leads to a handicap for the weight of the containers and the volume of the gases which could be stored, or in the form of cryogenic liquids which risks creating space issues,
flottabilité dûs au changement de creux et des pro- buoyancy due to change in trough and pro-
blèmes associés aux charges de choc L'hydrogène peut également être stocké sous forme solide en combinaison' problems associated with shock charges Hydrogen can also be stored in solid form in combination '
chimique en tant qu'hybride métallique mais ceci pose. chemical as a metallic hybrid but this poses.
également des problèmes de poids.also weight problems.
Un second type de cellule de combustible peut utiliser de l'oxygène de l'air et l'utilisation d'une telle cellule est également avantageuse Ce type de cellule pouvait être utilisé lorsqu'un sous- marin était en surface ou en demi-plongée en utilisant l'air normal Lorsque le navire est immergé, ce type de cellule pourrait être actionné en utilisant l'air intérieur au sous-marin à condition que le contenu en A second type of fuel cell can use oxygen from the air and the use of such a cell is also advantageous This type of cell could be used when a submarine was on the surface or half-diving using normal air When the ship is submerged, this type of cell could be operated by using indoor air in the submarine provided that the content in
oxygène de cet air soit maintenu.oxygen from this air is maintained.
Suivant l'invention, il est créé une instal- According to the invention, an installation is created.
lation de production d'énergie électrique comprenant: une cellule de combustible qui nécessite des alimentations en hydrogène gazeux et en oxygène gazeux afin d'engendrer une énergie électrique de sortie; des premiers moyens d'alimentation pour fournir à l'installation un composé contenant de An electrical energy production unit comprising: a fuel cell which requires supplies of gaseous hydrogen and gaseous oxygen in order to generate electrical output energy; first supply means to supply the installation with a compound containing
l'hydrogène qui est liquide dans des conditions norma- hydrogen which is liquid under normal conditions
les de température et de pression et qui peut subir une réaction endothermique pour libérer de l'hydrogène gazeux; des seconds moyens d'alimentation pour temperature and pressure and which can undergo an endothermic reaction to release hydrogen gas; second supply means for
fournir à l'installation du péroxyde d'hydrogène li- supply the installation with hydrogen peroxide
quide; un dispositif de reformation, connecté aux premiers moyens d'alimentation, dans lequel ledit composé contenant de l'hydrogène peut subir ladite réaction endothermique et libérer l'hydrogène gazeux; un dispositif de décomposition connecté auxdits seconds moyens d'alimentation,et agencé pour what; a reforming device, connected to the first supply means, in which said hydrogen-containing compound can undergo said endothermic reaction and release the hydrogen gas; a decomposition device connected to said second supply means, and arranged for
décomposer le péroxyde d'hydrogène de manière à libé-,,- decompose hydrogen peroxide so as to release - ,, -
rer l'oxygène gazeux; des moyens pour fournir de la chaleur au r gaseous oxygen; means for supplying heat to the
composé contenant de l'hydrogène, de manière a main- compound containing hydrogen, so
tenir la réaction endothermique dans le dispositif de reformation; et des moyens pour fournir l'hydrogène gazeux et l'oxygène gazeux dégagés dans le réformateur et le dispositif de décomposition respectivement à la cellule du combustible en vue d'engendrer une énergie hold the endothermic reaction in the reformer; and means for supplying the gaseous hydrogen and the gaseous oxygen released in the reformer and the decomposition device respectively to the fuel cell in order to generate energy
électrique de sortie.electrical output.
Le péroxyde d'hydrogène est décomposé de façon exothermique dans le dispositif de décomposition et de préférence des moyens sont prévus pour fournir de la chaleur provenant du dispositif de décomposition au dispositif de reformation, de manière à maintenir totalement ou partiellement la réaction endothermique dans le dispositif de reformation. On remarquera en particulier que la chaleur fournie par la décomposition du péroxyde d'hydrogène dans le dispositif de décomposition est de qualité élevée, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une chaleur The hydrogen peroxide is decomposed exothermically in the decomposition device and preferably means are provided to supply heat from the decomposition device to the reforming device, so as to fully or partially maintain the endothermic reaction in the device of reformation. It will be noted in particular that the heat supplied by the decomposition of the hydrogen peroxide in the decomposition device is of high quality, that is to say that it is a heat
concentrée à haute température, qui est particuliè- concentrated at high temperature, which is particularly
rement utile pour favoriser et maintenir la réaction de reformation du composé contenant de l'hydrogène particularly useful for promoting and maintaining the reforming reaction of the hydrogen-containing compound
dans le dispositif de reformation.in the reformation device.
Ceci assure un fonctionnement efficace de l'installation de production d'énergie électrique en ce que de la chaleur dégagée dans le dispositif de This ensures efficient operation of the electrical energy production plant in that the heat given off in the heating device
décomposition, qui serait autrement perdue est utili- decomposition, which would otherwise be lost is useful
sée en tant que source de chaleur pour maintenir la as a heat source to maintain the
réaction endothermique dans le dispositif de reforma- endothermic reaction in the reforming device
tion.tion.
Cependant, bien que ceci soit un agencement particulièrement avantageux suivant l'invention, d'autres moyens peuvent être fournis dans le cadre de However, although this is a particularly advantageous arrangement according to the invention, other means can be provided in the context of
l'invention en tant que source de chaleur pour main- the invention as a source of heat for
tenir la réaction endothermique dans le dispositif de reformation Dans une variante préférée une partie de hold the endothermic reaction in the reformer In a preferred variant, part of
l'énergie électrique produite dans la cellule de com- the electrical energy produced in the com- cell
bustible est utilisée pour actionner un dispositif de chauffage à alimentation électrique qui est agencé pour maintenir totalement ou en partie la réaction endothermique dans le dispositif de reformation Bien que ceci impose une perte de rendement, en ce qu'une partie de l'énergie de sortie utile de la cellule de bustible is used to activate an electrically powered heating device which is arranged to fully or partially maintain the endothermic reaction in the reforming device. Although this imposes a loss of efficiency, in that part of the output energy useful cell
combustible est utilisée pour maintenir le fonctionne- fuel is used to keep it running
ment de l'installation de production d'énergie éle- of the high-power generation facility
trique, on obtient encore une installation de produc- we get another production facility
tion d'énergie électrique qui est environ deux à trois fois plus efficace que les installations disponibles à l'ordinaire. Le composé préféré contenant de l'hydrogène tion of electrical energy which is about two to three times more efficient than ordinary facilities. The preferred hydrogen-containing compound
destiné à être utilisé dans l'installation de produc- intended for use in the production facility
tion d'énergie électrique est le méthanol, bien que d'autres alcools ou hydrocarbures puissent être utilisés à condition qu'ils soient liquides à la température et à la pression normales et qu'ils puissent être soumis à une réaction de reformation tion of electrical energy is methanol, although other alcohols or hydrocarbons may be used provided that they are liquid at normal temperature and pressure and that they can be subjected to a reforming reaction
endothermique pour libérer de l'hydrogène gazeux. endothermic to release gaseous hydrogen.
Lorsque, ainsi qu'on le préfère, le métha- When, as is preferred, the metha-
nol est utilisé comme composé contenant de l'hydro- nol is used as a hydro-containing compound
gêne, celui-ci est particulièrement approprié car il embarrassment, this is particularly suitable because it
présente une masse spécifique d'environ 0,8 à tempé- has a specific mass of about 0.8 at
rature et à pression normales et un point d'ébullition de 64,7 ' C La réaction de reformation nécessite l'addition d'eau pure ou méthanol et avantageusement celle-ci est prélevée de l'eau pure produite pendant rature and at normal pressure and a boiling point of 64.7 ° C. The reforming reaction requires the addition of pure water or methanol and advantageously this is taken from the pure water produced during
le fonctionnement de la cellule de combustible. the operation of the fuel cell.
Le pèroxyde d'hydrogène qui est utilisé' The hydrogen dioxide that is used '
comme source d'oxygène peut être décomposé par voie- as a source of oxygen can be decomposed by-
catalytique en oxygène et eau Le pèroxyde d'hydrogène est un composé hautement réactif et il est fourni habituellement en solution aqueuse Certaines concentrations de péroxyde d'hydrogène peuvent être catalytic in oxygen and water Hydrogen dioxide is a highly reactive compound and it is usually supplied in aqueous solution Certain concentrations of hydrogen peroxide can be
utilisées mais une concentration de 85 Z est préférée. used but a concentration of 85 Z is preferred.
Une telle concentration aurait une d e N S i t é d'environ 1,36 et être liquide aux conditions normales Such a concentration would have a D e N S i t of about 1.36 and be liquid under normal conditions
de température et de pression.of temperature and pressure.
La décomposition exothermique de la réaction The exothermic decomposition of the reaction
du péroxyde d'hydrogène peut être utilisée pour four- hydrogen peroxide can be used to supply
nir une partie ou la totalité de la chaleur nécessaire pour la réaction endothermique de reformation du méthanol, de manière à accroitre au maximum, comme provide some or all of the heat required for the endothermic methanol reforming reaction, so as to increase as much as possible
indiqué plus haut l'économique thermique de fonc- indicated above the thermal economy of function
tionnement de 1 installation de production et réduire/éliminer la nécessité d'utiliser une partie de operation of 1 production facility and reduce / eliminate the need to use part of
l'énergie électrique de sortie de la cellule de com- the electrical energy output from the com- cell
bustible pour assurer le chauffage.bustible for heating.
De manière avantageuse, les réactions de Advantageously, the reactions of
décomposition exothermique et de reformation endo- exothermic decomposition and endo- reformation
thermique sont réalisées à proximité immédiate de manière à rendre maximal le transfert de chaleur Dans un agencement possible, les deux réactions pourraient avoir lieu dans un seul récipient, étant séparées seulement par un élément fortement conducteur de la chaleur, bien que d'autres moyens à rendement élevé de transfert de chaleur puissent être utilisés si on le désire. Il est également préférable de faire en sorte que les courants de produits chauds quittant les récipients de reformation/décomposition ajoutés à d'autres sources de chaleur, telles que la cellule de combustible, des oxydants catalytiques et analogues puissent être utilisés pour préchauffer les réactifs_ à savoir le méthanol et l'eau avant d'atteindre le thermal are carried out in the immediate vicinity so as to maximize heat transfer In a possible arrangement, the two reactions could take place in a single container, being separated only by an element highly conductive of heat, although other means to high heat transfer efficiency can be used if desired. It is also preferable to ensure that the streams of hot products leaving the reforming / decomposing vessels added to other heat sources, such as the fuel cell, catalytic oxidants and the like can be used to preheat the reactants. know methanol and water before you reach the
stade de la réaction de reformation. stage of the reformation reaction.
L'invention fournit à cet effet une instal- To this end, the invention provides an installation
lation de production d'énergie électrique qui utilise une cellule de combustible capable de délivrer une énergie de sortie élevée et d'avoir un rendement élevé de conversion d'énergie tout en ne nécessitant pas d'emmagasinage cryogénique ou sous forte pression de sources d'hydrogène et d'oxygène En faisant en sorte, comme cela est préféré, que les exigences thermiques de la réaction de reformation soient satisfaites, au moins pour l'essentiel, par chaleur produite par la réaction de décomposition, ensemble avec d'autres économies thermiques, virtuellement toute l'énergie de sortie de la cellule de combustible est disponible pour l'utilisation, l'installation fonctionnant lation of electrical energy production which uses a fuel cell capable of delivering a high output energy and having a high efficiency of energy conversion while not requiring cryogenic storage or under high pressure of sources of hydrogen and oxygen By ensuring, as is preferred, that the thermal requirements of the reform reaction are met, at least for the most part, by the heat produced by the decomposition reaction, together with other thermal savings , virtually all of the output energy from the fuel cell is available for use, with the plant operating
pratiquement en autonomie thermique. practically in thermal autonomy.
L'invention sera maintenant décrite plus en détail, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la Fig 1 est une illustration schématique The invention will now be described in more detail, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a schematic illustration
d'un mode de réalisation d'une installation de pro- of an embodiment of a production installation
duction d'énergie électrique suivant l'invention duction of electrical energy according to the invention
destinée à être utilisée dans un sous-marin, compre- intended for use in a submarine, including
nant un appareil pour produire l'oxygène et de l'hydrogène gazeux destinés à alimenter une cellule de combustible; la Fig 2 est une illustration schématique de la combinaison de l'oxygène et de l'hydrogène dans la cellule de combustible pour produire de l'énergie électrique; la Fig 3 est une illustration schématique de l'oxydation catalytique de purges d'oxygène et d'hydrogène gazeux; et la Fig 4 est un schéma représentant l'équilibre global de la chaleur et de masse pour la production simultanée d'oxygène et d'hydrogène gazeux an apparatus for producing oxygen and hydrogen gas intended to supply a fuel cell; Fig 2 is a schematic illustration of the combination of oxygen and hydrogen in the fuel cell to generate electrical energy; Fig 3 is a schematic illustration of the catalytic oxidation of oxygen purges and hydrogen gas; and Fig 4 is a diagram showing the overall balance of heat and mass for the simultaneous production of oxygen and hydrogen gas
dans l'installation.in the installation.
Les cellules de combustible qui sont utilisées dans une installation de production d'énergie électrique suivant l'invention sont du type qui nécessite la prévision d'une alimentation en hydrogène et en oxygène gazeux pur ou en hydrogène gazeux et en air (en tant que source d'oxygène gazeux), afin d'engendrer une énergie électrique de sortie. Les cellules de combustible du type précité qui peuvent être utilisées comprennent les constituants suivants: Electrolvte oolvmère solide: Air/hydrogéne ou oxygéne/hydrogéne Faible température 6 '-105 ' C Electrolvte acide Dhos Dhoriaue: Air:hydrogéne ou oxygène/hydrogène Température de fonctionnement 150 190 C Electrolvte alcalin (hvdroxvde de potassium): Oxygene/hydrogéne (on peut utiliser de l'air Sa le gaz The fuel cells which are used in an installation for producing electrical energy according to the invention are of the type which requires the provision of a supply of hydrogen and pure gaseous oxygen or hydrogen gas and air (as a source oxygen gas), in order to generate electrical output energy. The fuel cells of the aforementioned type which can be used include the following constituents: Solid oil electrode: Air / hydrogen or oxygen / hydrogen Low temperature 6 '-105' C Dhos Dhoriaue acid electrode: Air: hydrogen or oxygen / hydrogen Operating temperature 150 190 C Alkaline electrode (potassium hydroxide): Oxygen / hydrogen (air can be used Sa gas
carbonique est d'abord éliminé).carbon dioxide is first removed).
Faible température: 60 90 ' C.Low temperature: 60 90 'C.
On va maintenant décrire les réactions chi- We will now describe the chi-
miques qui ont lieu afin d'alimenter en hydrogène et mics that take place in order to supply hydrogen and
en oxygène gazeux la cellule du combustible et de con- in gaseous oxygen the fuel cell and con-
vertir l'énergie chimique dans la cellule de green chemical energy in the cell of
combustible en énergie électrique. fuel in electrical energy.
Une alimentation en oxygène gazeux pur est tirée du péroxyde d'hydrogène qui se décompose suivant l'équation: / 2 H 202 2 H 20 + 02 + chaleur ( 1) A supply of pure gaseous oxygen is taken from the hydrogen peroxide which breaks down according to the equation: / 2 H 202 2 H 20 + 02 + heat (1)
Le peroxyde d'hydrogène est un corps chimi- Hydrogen peroxide is a chemical body
que instable et il nécessite seulement de faibles that unstable and it only requires low
moyens d'activation pour déclencher sa décomposition. activation means to trigger its decomposition.
Ainsi, pour des raisons de sécurité, il est habituel- So, for security reasons, it is usual-
lement disponible en solution aqueuse Il a été trouvé qu'une solution aqueuse a 85 Z de péroxyde d'hydrogène LEMENT AVAILABLE IN AQUEOUS SOLUTION It has been found that an 85% aqueous solution of hydrogen peroxide
fournit les niveaux nécessaires de chaleur de décompo- provides the necessary levels of decomposition heat
sition en réduisant les risques de manipulation et de stockage à des niveaux acceptables Un catalyseur est utilisé pour assurer que la réaction de décomposition ( 1) se produit dans un récipient de réaction 12 1 O (décrit plus bas en référence à la Fig 1) et est sition by reducing the risk of handling and storage to acceptable levels A catalyst is used to ensure that the decomposition reaction (1) takes place in a 12 1 O reaction vessel (described below with reference to Fig 1) and East
aussi complète que possible.as complete as possible.
Une alimentation en hydrogène gazeux pur est tirée d'une réaction de reformation de tout alcool ou hydrocarbure approprié, pourvu que ce corps soit liquide aux conditions normales de température de pression et puisse subir une réaction de reformation endothermique pour libérer de l'hydrogène gazeux Le composé préféré contenant de l'hydrogène est un alcool reformable et, en particulier, le méthanol sous forme de vapeur qui est reformé avec de la vapeur d'eau en présence d'un catalyseur selon l'équation de réaction globale: CH 3 OH + H 20 + chaleur Co 2 + 3 H 2 ( 2) La réaction du méthanol est en fait une réaction en deux parties qui comprend la décomposition selon l'équation: A supply of pure hydrogen gas is obtained from a reform reaction of any suitable alcohol or hydrocarbon, provided that this body is liquid at normal pressure temperature conditions and can undergo an endothermic reform reaction to release hydrogen gas Le preferred compound containing hydrogen is a reformable alcohol and, in particular, methanol in the form of vapor which is reformed with water vapor in the presence of a catalyst according to the global reaction equation: CH 3 OH + H 20 + heat Co 2 + 3 H 2 (2) The reaction of methanol is in fact a two-part reaction which includes decomposition according to the equation:
CH 3 OH:>CO + 2 H 2 ( 2 A)CH 3 OH:> CO + 2 H 2 (2 A)
suivie par une réaction de déplacement suivant l'équation: CO + H 20 àf C 2 + H 2 ( 3) La réaction globale est fortement endother ' followed by a displacement reaction according to the equation: CO + H 20 to f C 2 + H 2 (3) The overall reaction is strongly endother '
mique et nécessite donc une chaleur considérable pour- mique and therefore requires considerable heat for-
atteindre un taux acceptable de production d'hydrogé- achieve an acceptable rate of hydrogen production
ne Pour faciliter l'échange de chaleur entre les réactions de décomposition et de reformation, il est avantageux que les deux réactions se produisent très prés l'une de l'autre, de préférence dans le même récipient et qu'elles soient séparées seulement par un élément de transfert thermique, comme décrit plus en détail par la suite Un récipient concentrique avec une réaction se produisant dans le compartiment cylindrique central et l'autre dans le compartiment annulaire et un élément annulaire fortement conducteur séparant les deux compartiments est idéal Une autre forme appropriée de récipient pourrait être similaire à un échangeur thermique à tube et enveloppe, la réaction de décomposition ayant lieu par exemple à l'extérieur des tubes et la réaction de reformation à l'intérieur des tubes La conception particulière du récipient dépendrait également des types de catalyseur à utiliser et du fait que le passage des deux courants ne To facilitate the exchange of heat between the decomposition and reformation reactions, it is advantageous that the two reactions take place very close to each other, preferably in the same container and that they are separated only by a heat transfer element, as described in more detail below A concentric container with a reaction occurring in the central cylindrical compartment and the other in the annular compartment and a highly conductive annular element separating the two compartments is ideal Another form suitable container could be similar to a tube and shell heat exchanger, the decomposition reaction taking place for example outside the tubes and the reforming reaction inside the tubes The particular design of the container would also depend on the types of catalyst to use and the fact that the passage of the two streams
doit se faire dans le même sens ou à contre-courant. must be done in the same direction or against the current.
Selon une variante, les réactions pourraient être réalisées dans des récipients séparés avec des moyens très efficaces de transfert de chaleur entre les deux récipients, par exemple, des tubulures thermiques ou Alternatively, the reactions could be carried out in separate containers with very efficient means of heat transfer between the two containers, for example, thermal tubing or
analogues au moyen de chauffage électrique. analogs by means of electric heating.
Lorsque l'hydrogène gazeux a été produit, il doit être purifié avant de pouvoir être transmis à la cellule de combustible Les moyens de purification seront décrits par la suite mais la raison de cette nécessité est que les éléments actifs d'une cellule de combustible peuvent aisément être "contaminés" par la présence d'impuretés, en réduisant ainsi le rendement When the hydrogen gas has been produced, it must be purified before it can be transmitted to the fuel cell. The purification means will be described later, but the reason for this necessity is that the active elements of a fuel cell can easily be "contaminated" by the presence of impurities, thereby reducing the yield
du fonctionnement de la cellule L'hydrogène et l'oxy- how the cell works Hydrogen and oxygen
gêne réagissent dans une cellule de combustible pour- discomfort react in a fuel cell for-
produire de l'eau pure, de la chaleur et de l'énergie électrique selon l'équation: 2 H 2 + 2,2 H 20 + chaleur + énergie électrique ( 4) L'eau pure produite peut être utilisée comme diluant pour le méthanol avant la reformation et tout excès d'eau peut être utilisé pour les besoins de l'équipage du sous-marin, lorsque l'installation de production d'énergie électrique équipe celui-ci Un mode de réalisation d'installation de production d'énergie électrique suivant l'invention destiné à être utilisé dans un sous-marin va maintenant être décrit en détail en référenée-aux Fig 1 et 2 Dans cette installation le méthanol et le péroxyde d'hydrogène liquide sont utilisés comme matières de départ pour engendrer respectivement de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux en vue de les fournir à une produce pure water, heat and electrical energy according to the equation: 2 H 2 + 2.2 H 20 + heat + electrical energy (4) The pure water produced can be used as a diluent for the methanol before reformation and any excess water can be used for the needs of the submarine's crew, when the electrical energy production installation equips the latter An embodiment of production installation electrical energy according to the invention intended for use in a submarine will now be described in detail with reference to Figs 1 and 2 In this installation methanol and liquid hydrogen peroxide are used as starting materials to generate respectively hydrogen and oxygen gas to supply them to a
cellule de combustible qui fait partie de l'installa- fuel cell that is part of the installation
tion. Ainsi qu'il ressortira de façon évidente de tion. As will be evident from
la description détaillée du mode de réalisation préfé- the detailed description of the preferred embodiment
ré, avec référence aux dessins annexés, on a décrit une installation de production d'énergie électrique qui comprend: une cellule de combustible qui nécessite des alimentations en hydrogène gazeux et en oxygène re, with reference to the accompanying drawings, an installation for producing electrical energy has been described which comprises: a fuel cell which requires supplies of gaseous hydrogen and oxygen
gazeux pour engendrer une énergie électrique de sor- gaseous to generate an electrical energy of exit
tie; des premiers moyens d'alimentation pour fournir à l'installation un composé contenant de tie; first supply means to supply the installation with a compound containing
l'hydrogène qui est liquide dans des conditions norma- hydrogen which is liquid under normal conditions
les de température et de pression et qui peut subir une réaction endothermique pour libérer de l'hydrogène gazeux des seconds moyens d'alimentation pour fournir à l'installation du péroxyde d'hydrogène liquide en tant que source d'un combustible contenant de l'oxygène; un dispositif de reformation, connecté aux premiers moyens d'alimentation, dans lequel le composé temperature and pressure and which can undergo an endothermic reaction to release hydrogen gas from the second supply means to supply the installation with liquid hydrogen peroxide as a source of a fuel containing oxygen; a reforming device, connected to the first supply means, in which the compound
contenant de l'hydrogène peut subir la réaction endo- containing hydrogen can undergo the endo-
thermique et libérer l'hydrogène gazeux; un dispositif de décomposition connecté aux seconds moyens d'alimentation et agencé pour thermal and release hydrogen gas; a decomposition device connected to the second supply means and arranged for
décomposer le péroxyde d'hydrogène de façon exothe- to decompose hydrogen peroxide exothermically
mique de manière à libérer l'oxygène gazeux des moyens pour fournir de la chaleur au composé contenant de l'hydrogène, avant son passage dans le dispositif de reformation, de manière à maintenir la réaction endothermique; et des moyens pour fournir l'hydrogène gazeux et l'oxygène gazeux dégagés dans le dispositif de mique so as to liberate the gaseous oxygen from the means for supplying heat to the compound containing hydrogen, before its passage in the reforming device, so as to maintain the endothermic reaction; and means for supplying the gaseous hydrogen and the gaseous oxygen released in the device
reformation et le dispositif de décomposition respec- reformation and the decomposition device respec-
tivement, à la cellule de combustible en vue d'engen- to the fuel cell for the purpose of generating
drer une énergie électrique de sortie. to output electrical energy.
En se référant tout d'abord à la Fig 1, le péroxyde d'hydrogène est tiré d'un réservoir par une Referring first to Fig 1, the hydrogen peroxide is drawn from a reservoir by a
pompe 10 et introduit dans un dispositif de décomposi- pump 10 and introduced into a decomposition device
tion 12 Un promoteur tel que du permanganate de calcium peut également être ajouté par une pompe 13 tion 12 A promoter such as calcium permanganate can also be added by a pump 13
pour déclencher la décomposition du péroxyde d'hydro- to trigger the decomposition of hydro peroxide
gène lorsque le dispositif de décomposition 12 est froid Le réservoir (non représenté) pour le péroxyde d'hydrogène ainsi que pour le méthanol comprennent de préférence des sacs souples disposés à l'extérieur de gene when the decomposition device 12 is cold The reservoir (not shown) for the hydrogen peroxide as well as for the methanol preferably comprises flexible bags placed outside of
l'enceinte sous pression mais à l'intérieur du compar- the pressure vessel but inside the compar-
timent hydrodynamique du sous-marin Ce procédé de, stockage présente plusieurs avantages, à savoir une économie d'espace à l'intérieur du compartiment sous pression, la pression d'immersion "pompe" efficacement le liquide dans le sous-marin et il n'y a pas de creux car le sac s'écrase simplement à mesure que le liquide en est retiré, ce qui réduit considérablement les hydrodynamic structure of the submarine This storage process has several advantages, namely a saving of space inside the pressurized compartment, the immersion pressure effectively "pumps" the liquid into the submarine and it doesn there is no hollow because the bag simply crashes as the liquid is removed from it, which considerably reduces the
problèmes de flottabilité.buoyancy problems.
Dans le dispositif de décomposition 12, le péroxyde d'hydrogène entre en contact avec un premier In the decomposition device 12, the hydrogen peroxide comes into contact with a first
catalyseur qui assure que la majeure partie du péroxy- catalyst which ensures that most of the peroxy-
de d'hydrogène se décompose Etant donné qu'il s'agit d'une réaction très violente produisant une chaleur of hydrogen decomposes since it is a very violent reaction producing heat
considérable, les conditions requises pour le cataly- considerable, the conditions required for cataly-
seur sont très strictes, de sorte que lés gaz produits very strict, so that the gases produced
sont ensuite passés à travers un cyclone 14 pour sépa- then passed through a cyclone 14 to separate
rer tout débris de catalyseur du courant de gaz qui est recueilli à travers une vanne dans un récipient A partir du cyclone 14, les gaz passent à travers un échangeur de chaleur 16 o ils sont refroidis par transfert de chaleur à un courant de méthanolleau arrivant vers l'appareil Après un refroidissement supplémentaire dans un échangeur thermique 17, le péroxyde d'hydrogène décomposé qui se compose alors r any catalyst debris from the gas stream which is collected through a valve in a container From cyclone 14, the gases pass through a heat exchanger 16 where they are cooled by heat transfer to a methane stream arriving towards the apparatus After additional cooling in a heat exchanger 17, the decomposed hydrogen peroxide which then consists
essentiellement d'eau liquide, d'oxygène et éven- mainly liquid water, oxygen and even
tuellement, d'un peu de péroxyde d'hydrogène résiduel, passe dans un séparateur 18, (qui peut contenir un catalyseur sa nécessaire), dans lequel l'eau liquide est prélevée L'oxygène pur saturé sort par le conduit 19, tandis que l'eau résiduelle quitte le séparateur par l'intermédiaire d'une vanne et d'un conduit 20 Le fonctionnement de la vanne 20 est assuré par un dispositif de commande de niveau Dans la pratique, la décomposition du péroxyde d'hydrogène dans le dispositif de décomposition 12 peut être si complète all of a little residual hydrogen peroxide passes through a separator 18 (which may contain a necessary catalyst), in which the liquid water is taken up. The pure saturated oxygen leaves through the line 19, while residual water leaves the separator via a valve and a conduit 20 The operation of valve 20 is ensured by a level control device In practice, the decomposition of hydrogen peroxide in the device of decomposition 12 can be so complete
qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter un autre cataly- that there is no need to add another cataly-
seur dans le séparateur 18; cependant, si le rendement de la conversion n'est pas aussi élevé qu'on s'y sor in the separator 18; however, if the conversion efficiency is not as high as it is
attend, par exemple lorsqu'elle commence, un cataly- waits, for example when it starts, a cataly-
seur additionnel est nécessaire.additional sor is required.
Le méthanol en provenance du réservoir (non représenté) et l'eau pure sont envoyés par des pompes 22 et 23 respectivement à un conduit de mélange 24 o Methanol from the tank (not shown) and pure water are sent by pumps 22 and 23 respectively to a mixing pipe 24 o
le mélange se produit Un dispositif de commande pro- mixing occurs A control device pro-
portionnel 25 mesure les proportions du mélange et commande le fonctionnement de l'une ou des deux pompes 22 et 23 pour atteindre le rapport méthanol/eau désiré Un dispositif de commande de débit et une vanne 26 régulent le débit du mélange méthanolteau à travers les échangeurs de chaleur 30, 16 et 29 vers un dispositif de reformation 21 o la réaction 2 (c'est-à-dire 2 A) se produit Le dispositif de décomposition 12 et le dispositif de reformation 21 sont représentés côte à côte pour mettre l'accent sur l'interdépendance thermique des deux réactions Les 25 measures the proportions of the mixture and controls the operation of one or two pumps 22 and 23 to achieve the desired methanol / water ratio A flow control device and a valve 26 regulate the flow of the methanol / water mixture through the exchangers heat 30, 16 and 29 to a reformer 21 where reaction 2 (i.e. 2 A) occurs The decomposition device 12 and the reformer 21 are shown side by side to put the emphasis on the thermal interdependence of the two reactions Les
réactions peuvent être conduites dans le même réci- reactions can be conducted in the same reci-
pient et séparées par une membrane fortement conduc- pient and separated by a highly conductive membrane
trice dans des récipients voisins avec un transfert thermique accru, par exemple au moyen de conduits de chaleur et analogues pour former des moyens pour transmettre la chaleur dégagée dans le dispositif de décomposition 12 au dispositif de reformation 21 afin in neighboring vessels with increased heat transfer, for example by means of heat pipes and the like to form means for transmitting the heat given off in the decomposition device 12 to the reforming device 21 in order
de maintenir la réaction endothermique dans celui-ci. to maintain the endothermic reaction therein.
L'ensemble du dispositif de commande de débit/vanne 26 dans la conduite pour le mélange méthanol/eau est relié par l'intermédiaire d'un dispositif de commande central (non représenté) au dispositif de contrâle et de commande de débit 11 dans la conduite du péroxyde The assembly of the flow control device / valve 26 in the pipe for the methanol / water mixture is connected via a central control device (not shown) to the control and flow control device 11 in the conduct of peroxide
d'hydrogène, de sorte que dans des conditions de fonc- of hydrogen, so that under operating conditions
tionnement normal, les débits peuvent être équilibrés pour égaliser les exigences thermiques des réactions de reformation et de décomposition et/ou les taux de production d'oxygène et d'hydrogène Le relâchement de la pression et le retour au réservoir 27 sont assurés normal operation, the flow rates can be balanced to equalize the thermal requirements of the reformation and decomposition reactions and / or the oxygen and hydrogen production rates The pressure relief and the return to the tank 27 are ensured
par un conduit 24 à titre de précaution de sécurité. by a conduit 24 as a safety precaution.
L'eau pure qui passe par la pompe 23 est produite par la cellule de combustible (Fig 2) et The pure water which passes through the pump 23 is produced by the fuel cell (Fig 2) and
elle est stockée dans un réservoir de stockage inter- it is stored in an inter-
médiaire (non représenté) jusqu'à ce qu'on en ait besoin. Pour des raisons de sécurité, il peut être medial (not shown) until needed. For security reasons, it may be
souhaitable de ne pas disposer le dispositif de décom- desirable not to have the decom-
position 12 et le dispositif de reformation 21 à pro- position 12 and the reformation device 21 to pro-
ximité immédiate l'un de l'autre Cependant, la cha- immediate proximity to each other However, the cha-
leur dégagée dans le dispositif de décomposition 12 est toujours employée utilement en ce que le courant their clear in the decomposition device 12 is always usefully used in that the current
de méthanolteau arrivant vers le dispositif de refor- of methanol from water arriving at the reformer
mation 21 est préchauffé dans l'échangeur de chaleur 16 Lorsque le dispositif de décomposition 12 et le mation 21 is preheated in the heat exchanger 16 When the decomposition device 12 and the
dispositif de reformation 21 sont séparés, un chauf- reformation device 21 are separated, a heater
fage supplémentaire peut être nécessaire dans le dispositif de reformation 21, de manière à faire en sorte que la réaction atteigne un degré d'avancement raisonnable Ceci peut être assuré par tout moyen approprié, tel que le chauffage électrique Il est envisagé qu'un préchauffage substantiel du courant entrant de méthanol/eau puisse avoir lieu au moyen des échangeurs de chaleur 30, 16 et 29, à savoir jusqu'à ' des besoins, le restant du chauffage requis (pour maintenir la réaction endothermique) ayant lieu dans le dispositif de reformation 21 On remarquera que le additional fage may be necessary in the reforming device 21, so as to ensure that the reaction reaches a reasonable degree of progress This can be ensured by any suitable means, such as electric heating It is envisaged that substantial preheating incoming methanol / water can take place by means of heat exchangers 30, 16 and 29, i.e. up to requirements, the remainder of the heating required (to maintain the endothermic reaction) taking place in the reformer 21 Note that the
courant de méthanol/eau est chauffé en passant à tra- methanol / water stream is heated passing through
vers trois échangeurs de chaleur 30, 16 et 29 L'ordre- to three heat exchangers 30, 16 and 29 Order-
dans lequel ces échangeurs de chaleur se présentent le- in which these heat exchangers occur
long du trajet de la conduite du mélange méthanol/eau dépend de la température particulière des fluides chaud et froid à chaque point; le nombre et l'ordre des échangeurs de chaleur 30, 16 et 29 sera déterminé pour obtenir une économie thermique maximale Le chauffage électrique (non représenté) peut également être fourni, si nécessaire, par exemple, pour le démarrage ou dans le dispositif de reformation 21 Les échangeurs de chaleur 30, 16 et 29 peuvent fonctionner along the path of the methanol / water mixture pipe depends on the particular temperature of the hot and cold fluids at each point; the number and order of the heat exchangers 30, 16 and 29 will be determined to obtain maximum thermal savings. Electric heating (not shown) can also be provided, if necessary, for example, for starting or in the reforming device 21 Heat exchangers 30, 16 and 29 can operate
avec des courants dans le même sens ou à contre- with currents in the same direction or against
courant, comme déterminé par les exigences de rend- current, as determined by the rendering requirements
ment thermique De façon analogue, le débit de péro- thermally Similarly, the pero
xyde d'hydrogène et les courants de méthanol/eau à hydrogen xyde and methanol / water streams to
travers le dispositif de décomposition 12 et le dis- positif de reformation 21 peuvent être soit dans le même sens, soit à through the decomposition device 12 and the reforming device 21 can be either in the same direction or at
contre-courant. Les réactions chimiques vont rarement jusqu'au bout, c'est-à-dire à 100 / de conversion des réactifs et il se produit souvent des réactions against the current. Chemical reactions rarely go all the way, i.e. 100 / reactive conversion and reactions often occur
annexes Tel est le cas pour la reformation du métha- appendices This is the case for the reformation of metha-
nol/eau Si la réaction de déplacement (équation 3) ne nol / eau If the displacement reaction (equation 3) does not
s'est pas produite de façon suffisante dans le dispo- has not occurred sufficiently in the dispo-
sitif de reformation/décomposition 12, une occasion supplémentaire pour que la réaction ait lieu doit être fournie Sur la Fig 1, les produits de la réaction de reformation consistant en l'hydrogène, du gaz carbonique, de l'oxyde de carbone, du méthanol non reformé et de la vapeur quittent le dispositif de reform / decomposition product 12, an additional opportunity for the reaction to take place must be provided In Fig 1, the products of the reform reaction consisting of hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, methanol unreformed and steam leaves the device
reformation 21 et passent dans un récipient de réac- reformation 21 and pass into a reaction vessel
tion de déplacement 33 De la vapeur pure supplémentaire peut être ajoutée à l'aide du conduit d'alimentation 34, si nécessaire, et la réaction de déplacement a lieu en présence d'un catalyseur, sai' displacement displacement 33 Additional pure steam can be added using the supply line 34, if necessary, and the displacement reaction takes place in the presence of a catalyst, but
nécessaire, selon l'équation 3, en changeant la- necessary, according to equation 3, by changing the-
majeure partie de l'oxyde de carbone non converti en most of the carbon monoxide not converted to
gaz carbonique avec production d'hydrogène supplémen- carbon dioxide with additional hydrogen production
taire. Les gaz passent alors dans un récipient de séparation 35 o l'hydrogène gazeux est séparé des autres gaz Du fait qu'il a le volume atomique le plus faible de tous les éléments, l'hydrogène gazeux diffuse à travers les structures cristallines de certaines substances, alors que les autres gaz ne peuvent pas diffuser Le palladium est le seul métal à avoir un réseau cristallin juste assez làche pour permettre le passage de l'hydrogène, tout en n'étant pas suffisamment lâche pour le passage de tout autre gaz Ainsi, une membrane de diffusion 36 en palladium ou en des alliages de celui-ci sépare les deux parties du récipient 35 de diffusion et de séparation, en per- mettant seulement à l'hydrogène de passer à travers la to hush up. The gases then pass into a separation vessel 35 where the gaseous hydrogen is separated from the other gases Because it has the lowest atomic volume of all the elements, the gaseous hydrogen diffuses through the crystal structures of certain substances , while other gases cannot diffuse Palladium is the only metal to have a crystal lattice just loose enough to allow the passage of hydrogen, while not being loose enough for the passage of any other gas Thus, a diffusion membrane 36 made of palladium or an alloy thereof separates the two parts of the diffusion and separation container 35, allowing only the hydrogen to pass through the
membrane 36 sous l'effet de la différence de pression. membrane 36 under the effect of the pressure difference.
A partir du récipient 35 de diffusion et de séparation, par l'intermédiaire de la conduite 32, l'hydrogène gazeux pur est refroidi dans le dispositif de refroidissement 30 et transmis par la conduite 38 à From the diffusion and separation container 35, via line 32, the pure hydrogen gas is cooled in the cooling device 30 and transmitted via line 38 to
la cellule de combustible (non représenté). the fuel cell (not shown).
Les autres gaz qui quittent le récipient de Other gases leaving the container
diffusion et de séparation 35 passent le long du con- diffusion and separation 35 pass along the con-
duit 43 et sont principalement constitués de gaz car- duit 43 and consist mainly of gas
bonique avec de faibles quantités d'oxyde de carbone, de vapeur d'eau et de méthanol Ceux-ci sont tous des gaz résiduels On remarquera que tout l'hydrogène bonique with small amounts of carbon monoxide, water vapor and methanol These are all residual gases Note that all of the hydrogen
gazeux n'est pas éliminé dans le récipient 35 de dif- gaseous is not eliminated in the container 35 of dif-
fusion et de séparation; la raison en est que la dif- merger and separation; the reason is that the diff-
fusion est un processus physique et que le temps fusion is a physical process and that time
nécessaire pour atteindre un équilibre dynamique. necessary to achieve dynamic balance.
serait inacceptable pour le taux de production d'hy- would be unacceptable for the rate of production of hy-
drogène requis Parmi les gaz se trouvant dans le conduit 43, l'oxyde de carbone et l'hydrogène sont peu solubles dans l'eau et ne peuvent de ce fait être éliminés d'un sous-marin sans qu'il y ait des risques que des bulles s'élèvent vers la surface et qu'il y ait production de bruit en raison de l'éclatement des bulles, ce qui revéle la position du navire Etant donné que le stockage à bord de gaz sous pression a été par avance rejeté, il est nécessaire de convertir chimiquement des gaz en des formes solubles Ceci peut Drogen required Among the gases found in line 43, carbon monoxide and hydrogen are not very soluble in water and cannot therefore be removed from a submarine without there being any risks. bubbles rise towards the surface and noise is produced due to the bursting of the bubbles, which reveals the position of the vessel Since the storage on board of pressurized gas has been rejected in advance , it is necessary to chemically convert gases to soluble forms This can
être réalisé par oxydation catalytique en gaz carbo- be produced by catalytic oxidation in carbon dioxide
1 9 nique et en eau, l'oxygène destiné à ce but provenant par le conduit 37 du péroxyde d'hydrogène décomposé et selon les équations suivantes: 2 H 2 + O 2-2 H 20 + chaleur ( 5) 2 CO + O 2 2 CO + chaleur ( 6) 2 COH 302 + 4 H 20 + chaleur ( 7) Les gaz du séparateur 35 passent par un clapet anti-retour 39 et le long du conduit 43 vers un 1 9 nique and in water, the oxygen intended for this purpose coming through the conduit 37 of the decomposed hydrogen peroxide and according to the following equations: 2 H 2 + O 2 - 2 H 20 + heat (5) 2 CO + O 2 2 CO + heat (6) 2 COH 302 + 4 H 20 + heat (7) The gases from the separator 35 pass through a non-return valve 39 and along the conduit 43 to a
premier dispositif d'oxydation catalytique 41 Un dis- first catalytic oxidation device 41 A
positif 42 de commande stoechiométrique régule le pro- positive 42 stoichiometric control regulates the pro-
cessus Il consiste en un dispositif de mesure disposé en amont du dispositif d'oxydation catalytique 41 pour mesurer les concentrations d'hydrogène et d'oxyde de carbone dans le gaz et une vanne de commande 42 pour cessus It consists of a measuring device arranged upstream of the catalytic oxidation device 41 for measuring the concentrations of hydrogen and carbon monoxide in the gas and a control valve 42 for
admettre l'oxygène à partir d'un conduit 37 par l'in- admit oxygen from a conduit 37 by the in-
termédiaire d'un clapet anti-retour 44 En fonction du through a non-return valve 44 Depending on the
rendement des réactions de reformation et de déplace- yield of reformation and displacement reactions-
ment, plus d'un dispositif d'oxydation catalytique 41 more than one catalytic oxidation device 41
peut être nécessaire; deux dispositifs sont représen- may be necessary; two devices are shown
tés à la Fig 1.tees in Fig 1.
La chaleur engendrée par l'oxydation cataly- The heat generated by cataly-
tique est transférée par le ou les échangeurs de- tick is transferred by the exchanger (s)
chaleur 29 vers le courant de méthanol/eau entrant heat 29 to the incoming methanol / water stream
dans le dispositif de reformation 21 Après être pas- in the reformation device 21 After being
sés à travers le ou les échangeurs de chaleur 29, les gaz sont dissous et évacués à la mer par le conduit 45. On remarquera qu'étant donné que le méthanol est stocké à l'extérieur de l'enceinte sous pression, il se trouve ainsi à la pression de la profondeur d'immersion La pompe 22 augmente cette pression d'une ss through the heat exchanger (s) 29, the gases are dissolved and discharged to the sea through the conduit 45. It will be noted that since the methanol is stored outside the pressure enclosure, it is found thus at the pressure of the immersion depth The pump 22 increases this pressure by
faible valeur pour donner la pression de fonctionne- low value to give the operating pressure
ment dans le système représenté à la Fig 1 Dans tout le système, la pression sera virtuellement maintenue de manière que le gaz puisse être dissous et évacué par le conduit 45 directement à la mer (probablement à travers un clapet anti-retour non représenté), sans nécessiter un pompage La même situation s'applique à la pompe 10 dans le conduit de péroxyde d'hydrogène. Les pompes 23 et 13 doivent accroître la pression de l'eau et du permanganate de calcium respectivement à partir de la pression ambiante jusqu'à la pression du système, mais dans les deux cas de faibles volumes seulement doivant être traités Ainsi, du point de vue du pompage, seulement une énergie minimale doit être dépensée pour faire fonctionner le système Comme l'économie thermique du système, les exigences de pompage sont également conçues pour qu'un maximum ment in the system represented in FIG. 1 In the whole system, the pressure will be virtually maintained so that the gas can be dissolved and evacuated by the conduit 45 directly to the sea (probably through a non-return valve not shown), without requiring pumping The same situation applies to the pump 10 in the hydrogen peroxide conduit. The pumps 23 and 13 must increase the pressure of the water and of the calcium permanganate respectively from the ambient pressure to the pressure of the system, but in the two cases of small volumes only having to be treated Thus, from the point of In view of pumping, only minimal energy must be spent to operate the system. Like the thermal economy of the system, pumping requirements are also designed so that a maximum
d'énergie de sortie utile soit pris sur l'installa- useful output energy is taken from the installation
tion. En se référant à la Fig 2, l'oxygène et l'hydrogène gazeux purs pénètrent dans une cellule de tion. Referring to Fig 2, pure oxygen and hydrogen gas enter a cell
combustible 50 par des conduits 19 et 38 respective- fuel 50 through lines 19 and 38 respectively-
* ment Bien que la "cellule de combustible 50 " soit indiquée au singulier, on comprendra que plusieurs* ment Although the "fuel cell 50" is indicated in the singular, it will be understood that several
cellules de combustible seront utilisées dans des- fuel cells will be used in-
installations réelles; les cellules peuvent être agen- actual installations; cells can be agen-
cées en série ou en parallèle ou selon toute combinai- created in series or in parallel or in any combination
son requise La réaction 4 a lieu en produisant de its required Reaction 4 takes place by producing
l'énergie électrique (représentée à la partie supé- electrical energy (shown in the upper part
rieur de la Fig), de l'eau et de la chaleur Le taux de réaction est commandé par la vanne se trouvant dans le conduit 38 d'amenée de l'hydrogène vers la cellule de combustible 50 Bien qu'une membrane de diffusion 36 du séparateur 35 (Fig 1) doive laisser passer seulement l'hydrogène gazeux, des défauts dans le métal peuvent faire en sorte que de faibles quantités d'autres gaz passent également Etant donné que ces impuretés tendraient à s'accumuler dans la cellule de combustible 50 en raison de leur non réaction, il est prévu une purge d'hydrogène 51 destinée à être utilisée de façon continuelle ou intermittente, selon les besoins. La vapeur et l'oxygène non utilisés quittent la cellule de combustible par un conduit de sortie 52 et la vapeur se condense dans un réfrigérant 53 L'eau pure est séparée dans un séparateur 54 et passe par un laughter of Fig), water and heat The reaction rate is controlled by the valve located in the pipe 38 for supplying hydrogen to the fuel cell 50 Although a diffusion membrane 36 separator 35 (Fig 1) should pass only hydrogen gas, defects in the metal can cause small amounts of other gases to pass as these impurities tend to accumulate in the fuel cell 50 due to their non-reaction, there is provided a hydrogen purge 51 intended to be used continuously or intermittently, as required. Unused steam and oxygen leave the fuel cell through an outlet pipe 52 and the steam condenses in a refrigerant 53 Pure water is separated in a separator 54 and passes through a
dispositif de commande de niveau/vanne 59 et un con- level control device / valve 59 and a con-
duit 60 vers un récipient de stockage (non représenté) o elle est utilisée pour la dilution du méthanol, par la pompe 23 (Fig 1), dans le conduit d'alimentation 34 vers le récipient 33 (Fig 1) ou en tant qu'eau potable L'oxygène non utilisée quitte le séparateur 54 par le conduit 55, et il est recyclé par une pompe duit 60 to a storage container (not shown) where it is used for the dilution of methanol, by the pump 23 (Fig 1), in the supply duct 34 to the container 33 (Fig 1) or as potable water Unused oxygen leaves separator 54 through line 55 and is recycled by a pump
56 et un conduit 57 vers la cellule de combustible. 56 and a conduit 57 to the fuel cell.
Etant donné que les éléments 52, 53, 54, 55, 56 et 57 forment une boucle fermée, une purge 58 est prévue Since the elements 52, 53, 54, 55, 56 and 57 form a closed loop, a purge 58 is provided
pour empêcher l'accumulation d'impuretés La circula- to prevent the accumulation of impurities The circulation
tion d'oxygène dans la boucle 52, 53, 54, 55, 56 et 57 assure également un certain refroidissement de la cellule de combustible 50 par l'intermédiaire du ré frigérant 53 La source principale de refroidissement tion of oxygen in the loop 52, 53, 54, 55, 56 and 57 also ensures a certain cooling of the fuel cell 50 via the refrigerant 53 The main source of cooling
pour la cellule de combustible est assurée par un sys- for the fuel cell is provided by a system
tème séparé 50 A et la chaleur provenant de cette separate 50 A teme and the heat from this
source peut être utilisée ailleurs dans le processus. source can be used elsewhere in the process.
Etant donné que, ni l'hydrogène, ni l'oxy- Since neither hydrogen nor oxy-
gène ne sont solubles de façon appréciable dans l'eau de mer, les gaz purgés ne peuvent être évacués à la are not appreciably soluble in seawater, the purged gases cannot be evacuated
mer et doivent donc être éliminés d'une autre manière. sea and must therefore be disposed of in another way.
A la Fig 3, deux dispositifs de mesure 70 contrôlent les débits dans les conduits 51 et 58 (Fig 2 et 3) et envoient des signaux à un dispositif de commande stoechiométrique 71 qui actionne une pompe 72 pour pomper de l'air à partir de l'atmosphère du sous-marin chaque fois que le rapport hydrogène-oxygène dépasse une valeur pré-établie L'air provenant de la pompe 72 agit également en tant que diluant et limite ainsi les températures atteintes dans le dispositif d'oxydation catalytique 74 Les deux débits de gaz passent ensuite par des clapets anti-retour 73 vers le dispositif In Fig 3, two measuring devices 70 monitor the flows in the conduits 51 and 58 (Fig 2 and 3) and send signals to a stoichiometric control device 71 which actuates a pump 72 to pump air from the atmosphere of the submarine whenever the hydrogen-oxygen ratio exceeds a pre-established value The air coming from the pump 72 also acts as a diluent and thus limits the temperatures reached in the catalytic oxidation device 74 Les two gas flows then pass through non-return valves 73 to the device
d'oxydation catalytique 74 o a lieu la réaction 5. of catalytic oxidation 74 where reaction 5 takes place.
Après condensation de la vapeur dans un réfrigérant , l'eau résultante est recueillie dans un séparateur 76 et évacuée par le dispositif de commande de niveau/vanne 78 vers un réservoir 77; elle serait potable mais elle ne serait pas utilisée pour la dilution du méthanol Le mélange d'air et d'oxygène After condensation of the vapor in a refrigerant, the resulting water is collected in a separator 76 and discharged by the level control device / valve 78 to a tank 77; it would be drinkable but it would not be used for the dilution of methanol The mixture of air and oxygen
provenant du séparateur 76 est évacué vers l'atmos- from separator 76 is evacuated to the atmos-
phère du sous-marin par un conduit 79. sphere of the submarine via a conduit 79.
L'installation de production d'énergie électrique qui vient d'être décrite constitue un système de production d'énergie totalement autonome pouvant fonctionner en ne nécessitant ni air, ni oxygène externes L'oxygène provenant de l'atmosphère The electrical energy production installation which has just been described constitutes a totally autonomous energy production system which can operate without requiring external air or oxygen. Oxygen from the atmosphere
du sous-marin fourni par une pompe 72 (Fig 3)- submarine supplied by a pump 72 (Fig 3) -
pourrait aussi bien provenir de la conduite 58 de purge d'oxygène en ouvrant un peu plus la vanne prévue dans ce conduit Le processus soit recycle, soit élimine ses propres produits résiduels et ne contamine donc pas l'environnement De plus, si la réaction de décomposition du péroxyde d'hydrogène seule a lieu ou bien si elle a lieu à un taux supérieur aux exigences stoechiométriques, de l'oxygène peut être ajouté à could also come from the oxygen purge line 58 by opening the valve provided in this line a little more. The process either recycles or eliminates its own residual products and therefore does not contaminate the environment Furthermore, if the reaction of decomposition of hydrogen peroxide alone takes place or if it takes place at a rate higher than the stoichiometric requirements, oxygen can be added to
l'atmosphère du sous-marin par le conduit 79. the atmosphere of the submarine via conduit 79.
Pour déclencher le processus, le péroxyde To trigger the process, the peroxide
d'hydrogène est admis dans le dispositif de décomp- hydrogen is admitted to the decompression device
sition 12 avec une certaine quantité de promoteur constitué par du permanganate de calcium Ceci chauffe le dispositif de décomposition 12 et l'échangeur de chaleur 16 Ensuite, le mélange méthanol/eau est passé à travers l'échangeur de chaleur 16 et dans le sition 12 with a certain amount of promoter consisting of calcium permanganate This heats the decomposition device 12 and the heat exchanger 16 Then the methanol / water mixture is passed through the heat exchanger 16 and into the
dispositif de réformation 21 o en raison de la fai- reforming device 21 o due to the weakness of
ble température le taux de conversion du méthanol est bas Ceci résulte en une proportion élevée de méthanol oxydé dans le dispositif d'oxydation catalytique 41 et ble temperature the methanol conversion rate is low This results in a high proportion of oxidized methanol in the catalytic oxidation device 41 and
ainsi en un transfert de chaleur élevé dans l'échan- thus in a high heat transfer in the sample
geur de chaleur 21, entraînant des températures heat gor 21, causing temperatures
d'entrée du méthanol/eau plus élevées dans le disposi- of higher methanol / water in the device
tif de réformation 21 Ainsi, le taux de conversion du méthanol et de la chaleur fournie au méthanol/eau dans les échangeurs de chaleur 16 et 29 font en sorte qu'un équilibre stable est atteint après une période de reformation 21 Thus, the conversion rate of methanol and of the heat supplied to methanol / water in the heat exchangers 16 and 29 ensure that a stable equilibrium is reached after a period of
fonctionnement et ensuite maintenu.functioning and then maintained.
Lorsque des modifications de l'énergie élec- When changes in the electrical energy
trique de sortie sont requises, ceci peut être obtenu par des modifications du débit d'entrée de péroxyde outlet plate is required, this can be achieved by changing the peroxide inlet flow
d'hydrogène et de méthanol/eau au moyen d'un disposi- hydrogen and methanol / water by means of a device
tif de commande automatique Si nécessaire, de petits'- tif automatic control If necessary, small
réservoirs d'oxygène et d'hydrogène (non représentés)- oxygen and hydrogen tanks (not shown) -
peuvent être prévus dans les conduits 19 et 38 respectivement Tout retard entre la demande d'énergie et l'énergie de sortie peut être rattrapé/absorbé par les batteries du sous-marin qui sont connectées de façon à recevoir au moins une partie de la sortie des cellules de combustible Le système est bien adapté pour une commande automatique et un environnement sans personnel. Un autre point qui est très important pour le fonctionnement dans un environnement confiné est que le système est presque totalement silencieux Ceci est particulièrement utile pour un sous-marin essayant d'éviter la détection, mais il est également important pour la santé et la sécurité du personnel travaillant dans le même emplacement que le système ou à proximité de celui-ci. can be provided in conduits 19 and 38 respectively Any delay between the energy demand and the output energy can be caught / absorbed by the submarine batteries which are connected so as to receive at least part of the output fuel cells The system is well suited for automatic control and an unmanned environment. Another point which is very important for operation in a confined environment is that the system is almost completely silent This is particularly useful for a submarine trying to avoid detection, but it is also important for the health and safety of the personnel working in or near the same location as the system.
Bien que la présente description ait été Although this description has been
faite en se référant à l'utilisation de l'installation made with reference to the use of the facility
de production d'énergie électrique dans des sous- of electrical energy production in sub-
marins, son application s'étend à de nombreux autres domaines, par exemple des habitations sous-marines pour l'exploitation pétrolière, les mines, les fermes de pisciculture, les équipements de sauvetage destinés marine, its application extends to many other fields, for example underwater dwellings for oil exploitation, mines, fish farms, rescue equipment intended
à être utilisés dans les mines, les caves, les équipe- to be used in mines, cellars, equipment
ments d'urgence destinés à être utilisés dans des endroits o les flammes nues peuvent être interdites, emergency items intended for use in places where open flames may be prohibited,
par exemple, des équipements pétroliers, des raffine- for example, petroleum equipment, refiners
ries de pétrole, l'exploration et la colonisation spaciales. On comprendra que les Fig 1 à 3 sont des diagrammes synoptiques quelque peu schématiques et que oil lines, space exploration and colonization. It will be understood that Figs 1 to 3 are somewhat schematic block diagrams and that
des aspects détaillés de l'appareil peuvent être modi- detailed aspects of the device can be changed
fiés à mesure que des travaux d'essais sont réalisés. relied on as test work is carried out.
La Fig 4 représente un diagramme d'équili bre global de chaleur et de masse et suppose une Fig. 4 represents a global equilibrium diagram of heat and mass and assumes a
récupération de la chaleur du processus par des échan- heat recovery from the process by heat exchangers
geurs de chaleur, etc (comme représenté de façon générale dans les autres Figures) pour la production simultanée d'oxygène et d'hydrogène à partir de la décomposition de péroxyde d'hydrogène et de la heat gillers, etc. (as shown generally in the other Figures) for the simultaneous production of oxygen and hydrogen from the decomposition of hydrogen peroxide and the
reformation du méthanol respectivement, dans l'ins- reformation of methanol respectively, in the ins-
tallation représentée aux Fig 1 à 3. tallation shown in Figs 1 to 3.
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