FR2791659A1 - Generator for production of very pure oxygen has fuel cell with inlets for air and hydrogen and supplying water and electrical power to electrolyzer producing hydrogen for fuel cell and oxygen - Google Patents

Generator for production of very pure oxygen has fuel cell with inlets for air and hydrogen and supplying water and electrical power to electrolyzer producing hydrogen for fuel cell and oxygen Download PDF

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Abstract

An oxygen generator has a fuel cell with inlets for air and hydrogen and outlets supplying water and electrical power to an electrolyzer that produces hydrogen and oxygen. The hydrogen is returned to the fuel cell. Preferred Features: An air/water separator is in the line supplying water from the cell to the electrolyzer. A water pump is also in the line downstream of the separator. A regulating valve is in the line supplying hydrogen to the cell.

Description

L'invention concerne un procédé et une installa-The invention relates to a method and an installation

tion permettant de générer de l'oxygène pur à plus de 99,5%.  tion to generate more than 99.5% pure oxygen.

Il existe actuellement de nombreux types de procé-  There are currently many types of procedures.

dés et d'installations pour générer de l'oxygène, mais la génération d'oxygène de grande pureté présente des difficul- tés ou des inconvénients auxquels il n'a pas été remédié,  dice and installations for generating oxygen, but the generation of high purity oxygen presents difficulties or disadvantages which have not been remedied,

comme on le verra dans les exemples qui suivent.  as will be seen in the following examples.

La mise en oeuvre d'un tamis moléculaire ne permet  The use of a molecular sieve does not allow

pas d'atteindre de manière économique des taux de pureté su-  not achieve economical purity levels

lO périeurs à 93%, la dépense énergétique étant d'autant plus  lOperants at 93%, the energy expenditure being all the more

importante que la pureté désirée est élevée; ainsi, une pu-  important that the desired purity is high; thus, a pu-

reté de 99,5 % exige une dépense énergétique rédhibitoire.  retaining 99.5% requires a prohibitive energy expenditure.

La fabrication par cryogénie est complexe, et les  Manufacturing by cryogenics is complex, and the

installations de fabrication par cryogénie peuvent diffici-  cryogenic manufacturing facilities can be difficult

lement être rendues mobiles.be made mobile.

La fabrication par électrolyse, qui apparaît inté-  Electrolysis manufacturing, which appears to be integrated

ressante, nécessite une relativement grande dépense d'énergie, et de disposer d'eau pure; de plus, se pose le  healthy, requires a relatively large expenditure of energy, and to have pure water; in addition, arises the

problème de l'évacuation de l'hydrogène formé.  problem of the evacuation of the hydrogen formed.

L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cette fin un procédé de génération d'oxygène,  The object of the invention is to remedy these drawbacks and to this end relates to a process for generating oxygen,

caractérisé en ce que l'on introduit dans une pile à combus-  characterized in that a fuel cell is introduced into

tible de l'air et de l'hydrogène, on évacue de la pile à  air and hydrogen, it is evacuated from the battery to

combustible de l'eau que l'on introduit dans un électroly-  fuel water that is introduced into an electrolyte

seur tandis que l'on transmet de l'énergie électrique pro-  while transmitting electrical energy pro-

duite par la pile à un dispositif d'alimentation en énergie de l'électrolyseur, et on évacue de l'électrolyseur d'une part de l'oxygène que l'on emmagasine ou que l'on dirige vers un lieu d'utilisation, et d'autre part de l'hydrogène que l'on introduit dans la pile, afin qu'en régime permanent  taken by the battery to a device for supplying energy to the electrolyser, and a portion of the oxygen which is stored or directed to a place of use is removed from the electrolyser, and on the other hand hydrogen which is introduced into the cell, so that in steady state

de génération d'oxygène, cette génération d'oxygène néces-  of oxygen generation, this generation of oxygen requires

site en plus de l'air que l'on introduit dans la pile, seu-  site in addition to the air that is introduced into the pile, only

lement un apport d'énergie extérieure réduit à l'électrolyseur.  a reduced external energy supply to the electrolyser.

Elle concerne également une installation de géné-  It also concerns a general installation

ration d'oxygène, caractérisée en ce qu'elle comporte une  oxygen ration, characterized in that it comprises a

2 27916592 2791659

pile à combustible présentant une entrée d'air, une entrée d'hydrogène, une sortie, et des moyens de sortie d'énergie  fuel cell having an air inlet, a hydrogen inlet, an outlet, and energy outlet means

électrique produite, et un électrolyseur présentant une en-  produced, and an electrolyser having a

trée d'eau, une sortie d'oxygène, une sortie d'hydrogène, et des moyens d'entrée d'énergie électrique d'alimentation, et en ce que la sortie de la pile est reliée à l'entrée d'eau de l'électrolyseur, la sortie d'hydrogène de l'électrolyseur est reliée à l'entrée d'hydrogène de la pile, et les moyens  water inlet, an oxygen outlet, a hydrogen outlet, and means for supplying electrical power, and in that the outlet of the cell is connected to the water inlet of the electrolyser, the hydrogen outlet of the electrolyser is connected to the hydrogen inlet of the cell, and the means

de sortie d'énergie électrique produite par la pile sont re-  of electrical energy output from the battery are re-

liés à une entrée d'un dispositif d'alimentation en énergie comportant une sortie reliée au moyen d'entrée d'énergie de l'électrolyseur et une autre entrée reliée à une source d'énergie, afin qu'en fonctionnement permanent l'installation nécessite, pour générer de l'oxygène, en plus de l'air alimentant la pile, seulement une quantité  linked to an input of an energy supply device comprising an output connected to the energy input means of the electrolyser and another input connected to an energy source, so that in permanent operation the installation requires, to generate oxygen, in addition to the air supplying the battery, only a quantity

d'énergie apportée de l'extérieur réduite.  reduced energy supplied from the outside.

Grâce à la mise en oeuvre, avec un électrolyseur, d'une pile à combustible, - on brûle de manière utile l'hydrogène produit par l'électrolyseur, et ainsi il n'est pas nécessaire d'évacuer cet hydrogène de l'installation et de le brûler en pure perte, - on renouvelle théoriquement la totalité de l'eau électrolysée, - on récupère en sortie de pile 20% à 50% de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'électrolyseur (typiquement, environ 30%), - le fonctionnement est peu bruyant,  Thanks to the use, with an electrolyser, of a fuel cell, - the hydrogen produced by the electrolyser is usefully burned, and thus it is not necessary to evacuate this hydrogen from the installation and to burn it in pure loss, - theoretically all of the electrolyzed water is renewed, - 20% to 50% of the energy necessary for the operation of the electrolyser is recovered at the battery outlet (typically, around 30%) , - the operation is not very noisy,

- l'installation est peu encombrante et transpor-  - the installation is compact and transportable

table,table,

- on peut obtenir de l'oxygène de haute pureté et  - high purity oxygen can be obtained and

dans une gamme de pressions désirée, par le choix d'un élec-  in a desired pressure range, by the choice of an electric

trolyseur approprié.suitable trolyser.

Le procédé peut de plus présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:  The process can also have one or more of the following characteristics:

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- on évacue de l'air et de l'eau de la pile, et après avoir séparé l'eau de l'air on transmet au moins une partie de cette eau à l'électrolyseur, tandis qu'on évacue l'air à l'extérieur; - on pompe l'eau provenant de la pile pour l'introduire dans l'électrolyseur; - on abaisse la pression de l'hydrogène que l'on  - air and water are removed from the cell, and after having separated the water from the air, at least part of this water is transmitted to the electrolyser, while the air is removed to the outside; - the water from the cell is pumped to introduce it into the electrolyser; - we lower the pressure of the hydrogen we

transmet de l'électrolyseur à la pile.  transmits from the chlorinator to the battery.

L'installation peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la sortie de la pile est reliée à l'entrée d'eau de l'électrolyseur par un dispositif de liaison comprenant un séparateur eau/air; - la sortie de la pile est reliée à l'entrée d'eau de l'électrolyseur par un dispositif de liaison comprenant une pompe à eau;  The installation may have one or more of the following characteristics: - the outlet of the battery is connected to the water inlet of the electrolyser by a connection device comprising a water / air separator; - The battery outlet is connected to the water inlet of the electrolyser by a connection device comprising a water pump;

- la sortie d'hydrogène de l'électrolyseur est re-  - the hydrogen outlet from the electrolyser is re-

liée à l'entrée d'hydrogène de la pile par un dispositif de  linked to the entry of hydrogen from the battery by a

liaison comprenant un détendeur.link including a pressure reducer.

D'autres caractéristiques et avantages ressorti-  Other features and advantages stand out

ront de la description qui va suivre d'un mode et d'une  ront of the description which follows of a mode and a

forme de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif et illustrés par le dessin joint qui est une représentation schématique d'une installation pour la mise  embodiment of the invention given by way of nonlimiting example and illustrated by the attached drawing which is a schematic representation of an installation for placing

en oeuvre de l'invention.of the invention.

Selon l'invention, et comme représenté sur la fi-  According to the invention, and as shown in the figure

gure, on produit de l'oxygène ici à haute pression à partir d'air, par exemple de l'air atmosphérique, au moyen d'une  gure, oxygen is produced here at high pressure from air, for example atmospheric air, by means of a

pile à combustible du type air/hydrogène et d'un électroly-  air / hydrogen fuel cell and electrolyte

seur haute-pression mis en oeuvre en association.  high pressure sor implemented in association.

Plus précisément, l'installation comporte d'une part une pile à combustible 1 présentant une entrée d'air 11, une entrée d'hydrogène 12, et une sortie 13 par laquelle  More specifically, the installation comprises on the one hand a fuel cell 1 having an air inlet 11, a hydrogen inlet 12, and an outlet 13 through which

est évacué de la pile l'air en excès, saturé d'eau et conte-  is discharged from the pile in excess air, saturated with water and

nant de plus des gouttelettes d'eau en suspension, et  additionally from the suspended water droplets, and

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d'autre part un électrolyseur 2 présentant une entrée d'eau  on the other hand an electrolyser 2 having a water inlet

21, une sortie d'oxygène 22, et une sortie d'hydrogène 23.  21, an oxygen outlet 22, and a hydrogen outlet 23.

La pile 1, produisant bien entendu de l'énergie électrique, comporte de plus des moyens, par exemple des bornes 14, de sortie d'énergie sous une tension électrique continue. L'électrolyseur 2, auquel doit être fournie une énergie électrique d'alimentation, comporte des moyens, par exemple des bornes 24, d'entrée d'énergie sous une tension  The battery 1, of course producing electrical energy, further comprises means, for example terminals 14, for outputting energy under a continuous electrical voltage. The electrolyser 2, to which an electrical power supply must be supplied, comprises means, for example terminals 24, for entering energy under a voltage

électrique continue.continuous electric.

L'entrée d'air 11 de la pile est reliée à une source d'alimentation en air, et la sortie d'oxygène 22 de l'électrolyseur est reliée à un dispositif de stockage ou un  The air inlet 11 of the cell is connected to an air supply source, and the oxygen outlet 22 of the electrolyser is connected to a storage device or a

dispositif utilisateur d'oxygène (non représentés).  oxygen user device (not shown).

Par ailleurs, la sortie 13 de la pile est reliée comme on le verra dans la suite à l'entrée d'eau 21 de  Furthermore, the outlet 13 of the stack is connected as will be seen below to the water inlet 21 of

l'électrolyseur; ainsi, l'électrolyse de l'eau pure pro-  the electrolyser; thus, the electrolysis of pure water pro-

duite par la pile à combustible, fournit un hydrogène et un oxygène pouvant être très purs, en fonction du type  fuel cell, provides very pure hydrogen and oxygen, depending on the type

d'électrolyseur mis en oeuvre.of electrolyser used.

En outre, la sortie d'hydrogène 23 de l'électrolyseur est reliée à l'entrée d'hydrogène 12 de la pile, afin, lors du fonctionnement permanent de l'installation, de faire fonctionner la pile sans apport d'hydrogène provenant de l'extérieur. Afin d'introduire dans la pile l'hydrogène à basse pression qui est nécessaire pour son fonctionnement, dans le cas o l'électrolyseur est du type haute pression, le dispositif de liaison 3 reliant l'entrée d'hydrogène 12 de la pile à la sortie d'hydrogène 23 de l'électrolyseur comporte un détendeur 31 destiné à abaisser la pression de l'hydrogène sortant de l'électrolyseur. Si, en vue de produire de l'oxygène à basse pression, l'électrolyseur est du type basse pression, la  In addition, the hydrogen outlet 23 of the electrolyser is connected to the hydrogen inlet 12 of the cell, in order, during permanent operation of the installation, to operate the cell without adding hydrogen from outside. In order to introduce into the cell the low pressure hydrogen which is necessary for its operation, in the case where the electrolyser is of the high pressure type, the connecting device 3 connecting the hydrogen inlet 12 of the cell to the hydrogen outlet 23 from the electrolyser comprises a pressure reducer 31 intended to lower the pressure of the hydrogen leaving the electrolyser. If, in order to produce oxygen at low pressure, the electrolyser is of the low pressure type, the

liaison entre l'entrée d'hydrogène 12 de la pile et la sor-  connection between the hydrogen inlet 12 of the cell and the outlet

tie d'hydrogène 23 de l'électrolyseur peut être assurée di-  tie of hydrogen 23 of the electrolyser can be provided directly

rectement par une simple canalisation.  straight by a simple pipe.

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De plus, les bornes de sortie d'énergie électrique 14 de la pile sont reliées à une entrée d'énergie électrique 41 d'un dispositif utilisateur qui n'est autre selon l'invention, que le dispositif d'alimentation en énergie 4 de l'électrolyseur, dont une sortie d'énergie électrique 42 est reliée aux bornes d'entrée d'énergie 24 de l'électrolyseur, et dont une autre entrée 43 est reliée à  In addition, the electrical energy output terminals 14 of the battery are connected to an electrical energy input 41 of a user device which is none other according to the invention, than the power supply device 4 of the electrolyser, of which an electrical energy output 42 is connected to the energy input terminals 24 of the electrolyzer, and of which another input 43 is connected to

une source d'énergie. Ainsi, lors du fonctionnement perma-  a source of energy. Thus, during perma-

nent de l'installation, après le démarrage de l'électrolyseur, la quantité d'énergie à apporter de  of the installation, after the electrolyser has started, the amount of energy to be

l'extérieur est réduite.the outside is reduced.

La sortie 13 de la pile et l'entrée d'eau 21 de l'électrolyseur sont reliées par un dispositif de liaison 5 comprenant un séparateur eau/air 51 par lequel on extrait l'eau de l'air en excès dans la pile sortant de celle-ci par cette sortie 13, et on évacue cet air à l'extérieur, afin qu'il ne soit pas introduit dans l'électrolyseur, et une pompe à eau 52 dirigeant l'eau sortant du séparateur 51 vers  The outlet 13 of the cell and the water inlet 21 of the electrolyser are connected by a connecting device 5 comprising a water / air separator 51 by which water is extracted from the air in excess in the outgoing cell from it by this outlet 13, and this air is discharged outside, so that it is not introduced into the electrolyser, and a water pump 52 directing the water leaving the separator 51 towards

l'électrolyseur 2.the electrolyser 2.

Pour générer l'oxygène au moyen de cette installa-  To generate oxygen using this facility

tion, on introduit dans la pile à combustible 1 de l'air, par exemple de l'air atmosphérique, et l'hydrogène provenant de l'électrolyseur, et on en évacue l'air en excès et l'eau générée que l'on sépare de l'air et que l'on introduit dans  tion, air is introduced into the fuel cell 1, for example atmospheric air, and the hydrogen coming from the electrolyser, and the excess air and the generated water are discharged therefrom. we separate from the air and that we introduce into

l'électrolyseur 2 tandis que l'on transmet au moins une par-  the electrolyser 2 while at least one part is being transmitted

tie et de préférence la totalité de l'énergie électrique produite par la pile au dispositif d'alimentation en énergie 4 de l'électrolyseur. On évacue de l'électrolyseur 2, l'oxygène généré par celui-ci, que l'on emmagasine ou que l'on dirige vers son lieu d'utilisation, et on réintroduit  tie and preferably all of the electrical energy produced by the battery to the energy supply device 4 of the electrolyser. The oxygen generated by the electrolyser 2 is removed, which is stored or directed towards its place of use, and is reintroduced

de l'hydrogène généré, dans la pile 1. Ainsi, en régime per-  of the hydrogen generated, in cell 1. Thus, in a per-

manent, pour générer l'oxygène, on n'a pas à introduire d'hydrogène extérieur dans l'installation, et on apporte une énergie électrique réduite au dispositif d'alimentation 4 de  manent, to generate oxygen, it is not necessary to introduce external hydrogen into the installation, and a reduced electrical energy is supplied to the supply device 4 of

l'électrolyseur.the electrolyser.

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Claims (8)

REVENDICATIONS 1. Procédé de génération d'oxygène, caractérisé en ce que l'on introduit dans une pile à combustible (1) de l'air et de l'hydrogène, on évacue de la pile à combustible de l'eau que l'on introduit dans un électrolyseur (2) tandis que l'on transmet de l'énergie électrique produite par la pile à un dispositif d'alimentation en énergie (4) de l'électrolyseur, et on évacue de l'électrolyseur (2) d'une part de l'oxygène que l'on emmagasine ou que l'on dirige vers un lieu d'utilisation, et d'autre part de l'hydrogène  1. Oxygen generation process, characterized in that air and hydrogen are introduced into a fuel cell (1), water is removed from the fuel cell and introduced into an electrolyser (2) while the electrical energy produced by the battery is transmitted to an energy supply device (4) of the electrolyser, and the electrolyser (2) is removed from one part of the oxygen that is stored or directed to a place of use, and the other hydrogen que l'on introduit dans la pile (1), afin qu'en régime per-  that we introduce into the stack (1), so that in per- manent de génération d'oxygène, cette génération d'oxygène nécessite en plus de l'air que l'on introduit dans la pile, seulement un apport d'énergie extérieure réduit à  In addition to the generation of oxygen, this generation of oxygen requires, in addition to the air that is introduced into the cell, only an external energy supply reduced to l'électrolyseur (2).the electrolyser (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on évacue de l'air et de l'eau de la pile (1), et après avoir séparé l'eau de l'air on transmet au moins une  2. Method according to claim 1, characterized in that air and water are removed from the cell (1), and after having separated the water from the air, at least one partie de cette eau à l'électrolyseur (2), tandis qu'on éva-  part of this water to the electrolyser (2), while evacuating cue l'air à l'extérieur.cue the air outside. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on pompe l'eau provenant de la pile (1) pour  3. Method according to claim 1, characterized in that the water from the cell (1) is pumped to l'introduire dans l'électrolyseur (2).  introduce it into the electrolyser (2). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce  4. Method according to claim 1, characterized in that que l'on abaisse la pression de l'hydrogène que l'on trans-  that we lower the pressure of the hydrogen that we trans- met de l'électrolyseur (2) à la pile (1).  puts electrolyser (2) to the battery (1). 5. Installation de génération d'oxygène, caractérisée en ce qu'elle comporte une pile à combustible (1) présentant  5. Installation for generating oxygen, characterized in that it comprises a fuel cell (1) having une entrée d'air (11), une entrée d'hydrogène (12), une sor-  an air inlet (11), a hydrogen inlet (12), an outlet tie (13), et des moyens de sortie d'énergie électrique (14) produite, et un électrolyseur (2) présentant une entrée d'eau (21), une sortie d'oxygène (22), une sortie  tie (13), and means for outputting electrical energy (14) produced, and an electrolyser (2) having a water inlet (21), an oxygen outlet (22), an outlet d'hydrogène (23), et des moyens d'entrée d'énergie électri-  hydrogen (23), and electrical energy input means que (24) d'alimentation, et en ce que la sortie (13) de la pile est reliée à l'entrée d'eau (21) de l'électrolyseur, la sortie d'hydrogène (23) de l'électrolyseur est reliée à  that (24) supply, and in that the outlet (13) of the battery is connected to the water inlet (21) of the electrolyser, the hydrogen outlet (23) of the electrolyser is connected to 7 27916597 2791659 l'entrée d'hydrogène (12) de la pile, et les moyens de sor-  the hydrogen inlet (12) from the cell, and the means for leaving tie d'énergie électrique (14) produite par la pile sont re-  tie of electrical energy (14) produced by the battery are re- liés à une entrée (41) d'un dispositif d'alimentation (4) en énergie comportant une sortie (42) reliée au moyen d'entrée d'énergie (24) de l'électrolyseur et une autre entrée (43) reliée à une source d'énergie, afin qu'en fonctionnement permanent l'installation nécessite, pour générer de  linked to an input (41) of a power supply device (4) comprising an output (42) connected to the energy input means (24) of the electrolyser and another input (43) connected to a source of energy, so that in permanent operation the installation requires, to generate l'oxygène, en plus de l'air alimentant la pile (1), seule-  oxygen, in addition to the air supplying the battery (1), only- ment une quantité d'énergie apportée de l'extérieur réduite.  a reduced amount of energy supplied from the outside. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la sortie (13) de la pile est reliée à l'entrée d'eau (21) de l'électrolyseur par un dispositif de liaison  6. Installation according to claim 5, characterized in that the outlet (13) of the cell is connected to the water inlet (21) of the electrolyser by a connecting device (5) comprenant un séparateur eau/air (51).  (5) comprising a water / air separator (51). 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la sortie (13) de la pile est reliée à l'entrée d'eau (21) de l'électrolyseur par un dispositif de liaison  7. Installation according to claim 5, characterized in that the outlet (13) of the cell is connected to the water inlet (21) of the electrolyser by a connecting device (5) comprenant une pompe à eau (52).  (5) comprising a water pump (52). 8. Installation selon la revendication 5, caractérisée  8. Installation according to claim 5, characterized en ce que la sortie d'hydrogène de l'électrolyseur est re-  in that the hydrogen outlet from the electrolyser is re- liée à l'entrée d'hydrogène de la pile par un dispositif de  linked to the entry of hydrogen from the battery by a liaison (3) comprenant un détendeur (31).  link (3) comprising a regulator (31).
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