FR2828012A1 - Installation de piles a combustible comportant deux unites de transformation pour une decomposition catalytique - Google Patents
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Abstract
Installation de piles à combustible comportant au moins deux unités de transformation pour la décomposition catalytique d'un flux de matière première (A, B, C) donnant au moins un produit intermédiaire et un flux de combustible riche en hydrogène (A, B, C) pour une unité de piles à combustible, chaque unité de transformation assurant au moins dans une première phase de fonctionnement la transformation du flux de produit de départ (A, B, C), et transformant dans une seconde phase de fonctionnement le produit intermédiaire avec un flux auxiliaire (A, B, C) pour donner un flux de produit final (A', B', C'), caractérisée en ce qu'au moins une unité d'échange de chaleur (4) est prévue pour échanger la chaleur entre les unités de transformation.
Description
pourvus d'une ligne (28') de purge de l'eau séparée. L'invention concerne
une installation de piles à combustible
comportant au moins deux unités de transformation pour la décomposi-
tion catalytique d'un flux de matière première donnant au moins un pro-
duit intermédiaire et un flux de combustible riche en hydrogène pour une unité de piles à combustible, chaque unité de transformation assurant au moins dans une première phase de fonctionnement la transformation du flux de produit de départ, et transformant dans une seconde phase de
fonctionnement le produit intermédiaire avec un flux auxiliaire pour don-
ner un flux de produit final.
o Etat de la technique Les piles à combustible offrent l'avantage de transformer l'énergie de liaison chimique directement en énergie électrique. Les piles à combustible préférentielles actuelles utilisent de l'hydrogène et de l'oxygène et transforment ces éléments en de l'eau qui est un produit non
s polluant.
Pour les applications de piles à combustible, depuis des années, on utilise surtout des procédés d'oxydation partiels, des procédés de réformage autothermiques et de réformage à la vapeur pour générer un flux de gaz riche en hydrogène à partir d'hydrocarbures. Pour cela, il faut prévoir des étages de nettoyage de gaz pour réduire la teneur en monoxyde de carbone dans la veine de gaz par exemple pour une pile à combustible basse température jusqu'à environ lOO ppm. De manière générale, il faut pour cela plusieurs étapes de procédé, ce qui se traduit par une mise en oeuvre de moyens non négligeables pour le procédé, tels que des installa
tions. Cela entraîne de plus des coûts relativement élevés pour le dévelop-
pement des procédés, la fabrication et un entretien relativement important
de l'ensemble de l'installation.
Surtout pour former de la suie, on utilise depuis des années le procédé dit de décomposition catalytique. Selon ce procédé de décompo
sition catalytique, on transforme des hydrocarbures notamment du mé-
thane ou composés analogues en hydrogène et en carbone sous la forme de suie. Cette réaction s'effectue de préférence à des pressions faibles et généralement on a une catalyse hétérogène pour accélérer la réaction de décomposition endothermique selon l'équation ci-après: CH4 ≤> C (s) + 2 H2 AH(1OOOK) = +89,8 kJ/mol(CH4) (l) Dans la mesure o il n'est pas prévu d'élimination conffnue
de la suie (noir de fumée), il faut éliminer périodiquement le carbone dépo-
sé dans le réacteur selon l'équation (1), pour enlever la suie qui couvre le catalyseur. Cela signifie que dans une première phase de fonctionnement, s on génère le mélange de gaz riche en hydrogène et dans une seconde phase de fonctionnement, on élimine dans une large mesure la suie pour
éviter entre autres que le réacteur ne se bouche.
L'élimination de la suie se fait par exemple par des réac-
tions d'oxydation correspondant aux équations 2 et 3 données ci-après: lO C(s) + 0,5 02 => CO AH(1OOOK) = -112,0 kJ/mol (CO) (2) CO + 0,5 02 = > CO2 AH(1OOOK) = -282,9 kJ/mol(CO2) (3) En variante, on peut également effectuer la réaction d'oxydation de la suie avec une veine de fluide contenant de la vapeur s d'eau: C(s) + H20 => H2 + CO2 + CH4 AH(298K) = 132 kJ/mol (4) Les travaux de recherche ont montré que l'on pouvait arri
o ver à une élimination efficace de la suie. Sur le plan industriel, cette réac-
tion a été utilisée pour brûler la suie dans les procédés de réformage à la vapeur; en ajoutant un gaz contenant de l'oxygène selon les équations (2)
et (3), on facilite la combustion.
Jusqu'à présent, la décomposition catalytique des applica
s tions de piles à combustible a été faite uniquement à l'échelle du labora-
toire (voir Poirier, M. G. (1997): " Catalytic decomposition of natural gas to
hydrogen for fuel cell applications ", Int. J. Hydrogen Energy 22 (4); 429-
433). Selon ce document, on examine en particulier l'oxydation
périodique des dépôts de suie en commutant entre deux réacteurs sépa-
rés. But de l'invention
La présente invention a pour but de développer une instal-
lation de piles à combustible comportant au moins deux unités de trans ss forrnation de décomposition catalytique permettant de générer de manière continue une veine de combustible riche en hydrogène à partir
d'hydrocarbures pour des applications mobiles et/ou stationnaires de pi-
les à combustible.
A cet effet, l'invention concerne une pile à combustible du type défini ci-dessus caractérisée en ce qu'on prévoit au moins une unité d'échange de chaleur permettant d'échanger la chaleur entre les unités de transformation. s A l'aide d'une unité d'échange de chaleur selon l'invention, on peut notamment utiliser la chaleur dégagée par les réactions d'oxydation correspondant aux équations 2 et 3 pour la réaction de dé composition endothermique de l'équation 1. Le cas échéant, en variante ou en combinaison, on peut utiliser de l'énergie thermique d'une unité de o chauffage ou d'un moyen analogue avec l'unité d'échange de chaleur selon
l' invention.
Une unité d'échange de chaleur selon l'invention permet d'une part d'exploiter avantageusement l'énergie notamment entre deux ou plusieurs unités de transformation la réaction de décomposition et les s réactions d'oxydation se déroulant au moins en partie en parallèle dans le temps, dans des réacteurs ou unités de transformation séparés dans l'espace ou du point de vue des matières. Cela permet une intégration effi
cace des énergies thermiques.
De manière avantageuse, la température de fonctionnement o pendant la première phase de fonctionnement dans l'unité de transforma tion correspondante est relativement élevée du fait de l'élévation de tempé rature produite par l'autre unité de transformation, ce qui permet de façon avantageuse du point de vue thermodynamique le développement de la
réaction de décomposition.
s Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, au moins les unités de transformation et l'unité d'échange de chaleur sont réalisées sous la forme d'un ensemble notamment installé dans un boîtier commun. Ce moyen permet une réalisation particulière ment compacte de l'invention. Une installation de piles à combustible re so lativement compacte selon l'invention convient en particulier pour les applications dans lesquelles un volume réduit est avantageux comme par exemple pour les applications de piles à combustible mobiles ou station naires. De manière préférentielle, il est prévu au moins un disposi s tif de rinçage p our rincer les unités de transformation avec un flux d' agent de rinçage. Comme agent de rinçage, on peut utiliser un fluide chimique ment inerte tel de l'azote ou des gaz de combustion provenant par exemple
de l'unité de piles à combustible ou d'une source analogue.
De façon avantageuse, à l'aide de l'installation de rinçage, au cours d'une troisième phase de fonctionnement, on procède au rinçage d'une unité de transformation entre la première phase de fonctionnement et la seconde phase de fonctionnement, de préférence après la première s phase de fonctionnement générant l'hydrogène. La phase de rinçage entre les deux phases de fonctionnement des unités de transformation réduit ou élimine de manière décisive le risque d'une réaction explosive, c'est-à- dire d'une réaction incontrôlée entre l'hydrogène et l'oxygène avec libération d'une quantité d'énergie relativement élevée. Ce moyen augmente notam o ment de manière imp o rtante la s é curité de foncti o nnement de l' installation
de piles à combustible selon l'invention.
En variante ou en combinaison avec un dispositif de rin çage, on conçoit la géométrie des conduites de fluide de façon à réduire la nocessité de rinçage, ou à supprimer celle-ci totalement. Cela est alors le is cas si les conduites de fluide ont une section telle que l'énergie d'allumage qui serait nécessaire à une explosion n'est pas suffisante du fait de la fai ble section des conduites. Les sections pour le passage d'un fluide peuvent être réparties avantageusement entre plusieurs sections géométriquement
séparées, pour que les pertes de charge dans le système soient faibles.
En variante ou en combinaison avec le dispositif de rinçage selon l'invention, il est prévu avantageusement au moins un dispositif de refroidissement pour refroidir les unités de transformation avec une veine de fluide de refroidissement. Ce moyen permet d'assurer un abaissement de température par exemple relativement important dans l'une ou dans 2s plusieurs unités de transformation pour réduire de manière précise ou arréter la production de combustible riche en hydrogène dans les unités de transformation correspondantes. Dans ces conditions, le cas échéant, on supprime la nécessité d'une neutralisation entre les deux phases de fonctionnement, c'est-à-dire d'un rinçage avec un flux de rinçage comme
o celui indiqué ci-dessus.
De manière générale, le refroidissement des unités de transformation peut se faire dans une troisième ou une quatrième phase de fonctionnement des unités de transformation; le cas échéant, le dispo sitif de rinçage peut être réalisé pour évacuer la chaleur à éliminer et les ss produits de réforme résiduels, riches en hydrogène de l'unité de transfor
mation correspondante.
De manière avantageuse, on utilise un dispositif de refroi dissement réalisant une séparation de la matière de la veine de fluide de s refroidissement et d'autres veines de matière telles que la veine de produit de réaction, la veine de matière auxiliaire et/ou la veine de rinçage. Pour
cela on prévoit des éléments de refroidissement tels que des spires de re-
froidissement, les canaux de refroidissement ou les moyens de ce type. Les s canaux de refroidissement ou moyens de ce type sont avantageusement
réalisés comme les unités de transformation.
Comme fluide de refroidissement pour le dispositif de re-
froidissement, on peut par exemple utiliser de l'air, de l'eau, différents sols, la veine de matière auxiliaire, la veine de produit de réaction et/ou la o veine de rinçage. En particulier, l'utilisation des veines de produit de fonctionnement permet un préchauffage avantageux, de sorte que le cas échéant la réaction de décomposition peut étre accélérée ou améliorée de
méme que les réactions d'oxydation. Cela permet un fonctionnement par-
ticulièrement efficace de l'installation de piles à combustible selon l'invention. Avantageusement on améliore le comportement dynamique pour la formation du flux de combustible riche en hydrogène, ce qui est particulièrement avantageux pour les applications des piles à combustible
dans les installations mobiles.
o Selon une variante préférentielle de l'invention, il est prévu au moins une unité de répartition commandée pour distribuer les veines de matière d'alimentation en fonction du temps entre les différentes unités de transformation ou le dispositif de refroidissement. On peut ainsi répar tir les veines de produit d'alimentation, c'est- à- dire le flux de matière pre s mière, le flux de matière auxiliaire, le flux de rinçage et/ou le flux d'agent réfrigérant de manière chaque fois séparée en fonction du temps entre les différentes unités de transformation ou le dispositif de refroidissement. Ce
moyen permet notamment pour des phases de fonctionnement de lon-
gueurs différentes des unités de transformation respectives ou du disposi o tif de refroidissement, une adaptation avantageuse de ces différentes
phases de fonctionnement ou des réactions prévues en fonction de la de-
mande ou du fonctionnement de l'installation de piles à combustible.
On prévoit par exemple une phase de rinçage relativement courte pour rincer les unités de transformation. La seconde phase de s fonctionnement ou les réactions d'oxydation peuvent étre adaptées à l'aide de l'unité de répartition correspondante, selon le temps, à la réduction de la suie ou à l'élimination pratiquement totale de la suie dans l'unité de
transformation correspondante.
De plus, la formation d'un flux de combustIble riche en hy drogène pour l'unité de pile à combustible peut être augmentée de ma nière décisive, par exemple si plusieurs ou si possible pratiquement toutes les unités de transformation génèrent au moins pendant une durée relati
s vement courte, un combustible riche en hydrogène.
De manière préférentielle, l'unité de répartition comporte au moins un élément de répartition pour répartir un flux de matière entre le dispositif de refroidissement ou plusieurs unités de transformation. De manière avantageuse, on prévoit chaque fois un élément de répartition o correspondant pour chaque flux de matière à fournir. Ces moyens per mettent de faire fonctionner plusieurs ou de nombreuses unités de trans formation et/ou éléments de refroidissement chaque fois dans la même phase de fonctionnement. Cela permet à l'élément de répartition, de ré partir le flux de matière respective de préférence à partir d'un collecteur s ou d'un moyen analogue entre les différentes unités de transformation ou
éléments de refroidissement.
De façon avantageuse, il est prévu au moins une unité col lectrice commandée pour collecter en fonction du temps les flux de ma tière à évacuer du dispositif de refroidissement ou des différentes unités o de transformation. Ce moyen permet notamment la collecte appropriée des flux de matière identiques provenant de plusieurs ou de nombreuses uni tés de transformation ou/et éléments de refroidissement dans un collec
teur ou un moyen analogue.
De façon générale, l'unité de répartition ou l'unité collectrice sont conçues pour que le passage notamment à travers les unités de transformation se fasse d'une manière très régulière surtout pendant la décomposition ou première phase de fonctionnement et/ou l'oxydation ou seconde phase de fonctionnement. Pour cela, l'unité de répartition est
installée de préférence en diagonale par rapport à l'unité collectrice.
De manière avantageuse, l'unité de répartition et/ou l'unité collectrice est intégrce directement à l'unité de transformation. En va riante, l'unité de répartition et/ou l'unité collectrice peuvent être fabri quées séparément de l'unité de transformation pour simplifier la fabrication et n'être réunies à celle-ci que de manière extérieure, de façon
3s étanche au fluide.
L'unité collectrice comprend de préférence au moins un élément collecteur pour collecter un flux de matière à évacuer du dispositif de refroidissement ou de plusieurs unités de transformation. Selon
l'élément de répartition évoqué ci-dessus, on a un élément collecteur cor-
respondant ou chaque fois un élément collecteur associé à un flux de pro-
duit à évacuer pour qu'en cas de fonctionnement simultané de plusieurs éléments de refroidissement ou unités de transformation dans la même phase de fonctionnement, une collecte avantageuse des différents flux de
matière, relativement petits, donne un flux de matière relativement im-
portant. Le flux de matière relativement important, riche en hydrogène est fourni avantageusement par exemple à l'unité de piles à combustible avec
une conduite collectrice ou un moyen analogue.
o Selon une variante de réalisation préférentielle de l'invention, plusieurs éléments de refroidissement ou unités de transfor mation sont regroupés par un élément de répartition ou élément collecteur et chaque unité de transformation ou chaque élément de refroidissement de ce groupe est traversé par le même flux de matière. Cela signifie que
s ces différents moyens se trouvent dans la même phase de fonctionnement.
A titre d'exemple, un premier groupe fonctionne selon un première phase, un second groupe fonctionne selon une seconde phase, un troisième groupe est en phase de rinçage et/ou un quatrième groupe est en phase de refroidissement. Selon l'invention, les différentes phases
de fonctionnement ont une durée différente et ces phases de fonctionne-
ment peuvent le cas échéant être complètement supprimées dans certai-
nes conditions de fonctionnement. De manière préférentielle, la somme des durées de fonctionnement de chaque groupe ou de chaque unité de transformation est la même et le dispositif de refroidissement peut le cas
2s échéant être éliminé.
Selon un développement particulièrement avantageux de
l'invention, les unités de transformation ont des structures qui augmen-
tent leur surface. Ce moyen améliore avantageusement les réactions qui se produisent dans les unités de transformation ou les réacteurs. Par exem ple, la matière à activité catalytique peut être appliquée le cas échéant de
manière galvanique sur une structure de support de l'unité de transfor-
mation respective.
De manière préférentielle, la structure de support de l'unité de transformation a une surface relativement rugueuse, ce qui augmente 3s considérablement la surface active de cette unité de transformation. Par exemple la surface de l'unité de transformation peut être rendue rugueuse par un procédé notamment de gravure lorsqu'on utilise comme matière de
base des métaux.
En variante, le support de catalyseur peut être constitué
d'une structure de filaments, tubulaires, avec une géométrie envelop-
pante. Les filaments par exemple en SiO peuvent être enrobés d'une cou-
che de recouvrement céramique, poreuse, intégrant le métal à action
s catalytique.
Fondamentalement, comme matière catalytiquement active des unités de transformation, on utilise de préférence du palladium, du
rhodium, du nickel et/ou du cobalt à l'état de métal ou d'alliage.
Pour l'essentiel, comme matière pour l'unité d'échange de o chaleur selon l'invention, on utilise des matières très réfractaires telles
que les alliages métalliques, des métaux et/ou des céramiques.
De manière préférentielle, des structures augmentant la surface sous la forme d'éléments tubulaires, d'éléments en nid d'abeilles et/ou d'éléments de canaux sont réalisées avec une section notamment
s carrce ou rectangulaire. Par exemple une unité de transformation com-
porte de nombreux éléments tubulaires séparés ou de nombreux canaux ou moyens analogues traversés par les veines de fluide d'alimentation. En variante ou en combinaison, on peut également réaliser les unités de transformation sous la forme d'éléments tubulaires relativement petits ou o d'éléments en nid d'abeilles ou analogues. Le cas échéant, ces unités de transformation ou réacteurs ont un diamètre hydraulique compris de
préférence entre O. 1 mm et 5 mm.
La section de la structure est un optimum entre la caracté-
ristique de perte de charge en tenant compte de différents états de fonc s tionnement (formation de suie) d'une évacuation efficace de la chaleur
pour éviter la surchauffe et des gradients de température importants, gê-
nants ainsi que de l'exigence contradictoire d'un rapport surface/volume
important à cause des réactions catalytiques hétérogènes.
Le cas échéant, ces irrégularités relativement petites sont réalisées sous la forme de canaux constitués par exemple des tubes, des nids d'abeilles, des films et en particulier avec une garniture à activité
catalytique ou en matière à activité catalytique.
De manière générale, les irrégularités relativement faibles sont alignées de manière essentiellement parallèle. Dans le cas d'un gui
ss dage de l'écoulement de l'unité d'échange de chaleur selon l'invention sui-
vant un flux croisé, les irrégularités ou groupes d'irrégularités sont
alternativement alignés dans des directions pratiquement perpendiculai-
res. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, un volume d'une unité de transformation ne représente qu'une fraction du volume de l'unité de construction. Cela garantit la réalisation d'unités de transformation de réacteurs relativement nombreux et petits, donnant en
s particulier un bon comportement dynamique ou permettant une alter-
nance relativement rapide entre les différentes phases de fonctionnement.
Avant tout, la phase de rinçage peut être relativement courte du fait du volume relativement faible des unités de transformation et en général il
suffira d'un volume de rinçage relativement faible pour le flux de rinçage.
o De préférence, on fournit avant tout le flux de produit final
ou le cas échéant également le flux de rinçage à un moyen de traitement.
A l'aide d'un étage de nettoyage de gaz ou d'un moyen analogue, on peut
traiter le flux auxiliaire ou flux de rinçage pour permettre sa réutilisation.
En variante ou en combinaison, on peut également prévoir s en aval une unité de chauffage pour les flux de rinçage correspondants et en particulier à l'aide d'une postcombustion catalytique, on peut soumet tre les pro duits d'oxydation du monoxyde de carb one et de l'oxygène con tenus dans l'air à une combustion pour fournir de l'énergie. L'énergie de chauffage ainsi recueillie peut servir grâce à l'échangeur de chaleur selon l'invention à une utilisation avantageuse en particulier pour la décompo
sition catalytique.
De manière avantageuse, les flux de matière passent en continu à travers les unités de transformation ou les réacteurs. On peut également envisager de faire passer les flux de matière de manière discon 2s tinue, précise, pour permettre un refroidissement déterminé de certaines zones de réacteurs pour commander de manière précise ou améliorer et/ou arrêter surtout la formation d'un flux combustible riche en hydro gène. De manière générale, l'unité d'échange de chaleur peut être un échangeur de chaleur à plaques. Par exemple chaque position ou pla que peut être réalisée par un groupe d'unités de formation ou de réacteurs fonctionnant de la même manière. En variante ou simultanément, l'échangeur de chaleur et les réacteurs peuvent être également combinés
dans les mêmes couches.
3s Fondamentalement à la fois l'unité de répartition et l'unité collectrice sont réalisées pour avoir une répartition et une collecte très ré gulières des flux de matière allant ou venant des unités de transformation et/ou des éléments de refroidissement. Ces unités doivent être réalisées de
façon avantageuse du point de vue de l'aéraulique.
De manière générale, comme matière de départ, on peut utiliser les hydrocarbures ou les mélanges d'hydrocarbures les plus diffé s rents comme par exemple l'essence, du gazole, du méthane ou des alcools
en particulier du méthanol ou de l'éthanol. De façon préférentielle, on uti-
lise des matières premières à l'état gazeux comme des aérosols. Les matiè-
res premières présentent une faible teneur en combinaison à poids
moléculaire élevé.
o De façon avantageuse, il est prévu une unité de commande ou de régulation permettant en particulier la commande ou la régulation du passage des flux de matière surtout en liaison avec la consommation des unités de piles à combustible. Une adaptation avantageuse surtout pour générer un combustible riche en hydrogène, en fonction de l'unité de s piles à combustible ou dans le cas des applications mobiles, en fonction du comportement de roulement, peut étre réalisée de façon appropriée par
une unité de commande ou de régulation.
De plus, on peut prévoir au moins un capteur détectant un paramètre de fonctionnement de l'installation de piles à combustible selon o l'invention. On utilise par exemple la température des différentes unités de transformation ou groupes de telles unités, le débit de différents flux de
matière ou de tous les flux de matière, en particulier la quantité de carbu-
rant riche en hydrogène vers l'unité de piles à combustible, la qualité ou la composition du flux de matière, une mesure de l'occupation ou un moyen s analogue. Ces paramètres de fonctionnement sont utilisés surtout pour
assurer un fonctionnement avantageux de l'installation de piles à com-
bustible ou de l'unité de piles à combustible avec l'unité de commande et
de régulation.
La température de fonctionnement des unités de transfor
o mation ou des réacteurs est de préférence comprise entre 400 et 800 de-
grés Celsius. Le cas échéant, surtout pour la phase de démarrage de l'installation de piles à combustible selon l'invention, on prévoit une unité
de chauffage. De manière générale, on peut utiliser un chauffage électri-
que ou chimique notamment une combustion catalytique par exemple ss d'une matière première et/ou d'un mélange riche en hydrogène de
l'installation de piles à combustible.
En principe, les différents flux de produit peuvent passer à contrecourant, en courant croisé et/ou de préférence en courant parallèle
dans l'unité d'échange de chaleur selon l'invention.
De manière générale, l'unité d'échange de chaleur selon s l'invention, ou l'unité de construction qui comprend au moins deux unités de transformation et l'unité d'échange de chaleur, est également prévue pour d'autres applications que celles d'une installation de piles à combus tible. Exemples de réalisation o Un exemple de réalisation de l'invention sera décrit ci-après
de manière plus détaillée à l'aide de l'unique figure annexée.
La figure montre la structure schématique d'une unité de construction 1 selon l'invention. L'unité 1 comprend notamment un dis
tributeur 2, un collecteur 3 et un réacteur 4.
De manière non représentée, le distributeur 2 et le collec teur 3 comportent par exemple des vannes de distribution ou de réparti tion ainsi que des éléments de répartition permettant de réaliser une répartition aussi régulière que possible des flux de matière à fournir A, B.
C et à collecter les flux sortants A', B. C'.
Le réacteur 4 représenté de manière schématique comporte notamment de nombreux réacteurs relativement petits ou des canaux tra versés par les flux A, B. C. Le cas échéant, les réacteurs ou les canaux sont formés pour tenir compte de la transformation des flux de matière A, B. C et des variations produites suivant les paramètres de fonctionnement
2s tels que la pression.
Par exemple le flux de matière A est un flux de matière première comme du gaz naturel; le flux de matière B est le flux de matière auxiliaire comme par exemple de l'air ou de l'oxygène pratiquement pur; le flux de matière C par exemple un flux de rinçage ou un flux de refroi dissement. Dans cette phase de fonctionnement de l'unité 1, un ensemble correspondant de réacteurs ou groupe de réacteurs est traversé par un flux A; un second groupe est traversé par un flux B et un troisième groupe est traversé par un flux C. Du fait des réactions ou du rinçage et/ou du chauffage des 3s flux de matière A, B. C, en sortie de l'unité 1 on aura des flux de matière modifiés A', B', C'. Dans cet exemple, le flux de matière A' est le flux de combustible riche en hydrogène; le flux B' est le flux de produit de sortie en particulier riche en monoxyde de carbone ou dioxydede carbone et le flux C' est le flux de gaz inerte ou gaz de rinçage qui en plus d'une faible teneur en hydrogène ou en oxygène et/ou dans certaines conditions de fonctionnement contient également de faibles parties de carbone ou encore
le flux C' peut être le flux de refroidissement, une fois chauffé.
s A un instant ultérieur, le flux de matière B sera par exemple le flux de matière de sortie, le flux C sera le flux de matière auxiliaire et le flux A sera le flux de rinçage ou de refroidissement. De façon correspon dante, les flux de matière modifiés A', B', C' seront différents des autres
flux par rapport à l'exemple ci-dessus.
o A un instant ultérieur, le flux de matière C il sera par exemple le flux de matière de sortie etc. De façon générale, les phases de fonctionnement des différents groupes ou réacteurs peuvent avoir une du rée identique et/ou différente. De manière préférentielle, on aura une
adaptation au mode de fonctionnement de l'unité de piles à combustible.
s Selon un exemple de fonctionnement particulier dans lequel par exemple l'unité de piles à combustible aura une consommation relati vement élevée en combustible riche en hydrogène, les flux A, B. C peuvent être réalisés simultanément ou pratiquement simultanément comme flux
de matière première par exemple de gaz naturel.
De façon générale, l'unité de piles à combustible comprend une ou plusieurs piles à combustible. Comme piles à combustible, on uti lise tous les types de piles à combustible utilisables actuellement. De ma nière préférentielle lorsqu'on utilise des alcools comme matières premières, on aura des piles à combustible acceptant le monoxyde de car 2s bone comme par exemple les piles à combustible à haute température dé
signées sous la référence << SOFC ".
De façon avantageuse, lorsqu'on utilise des hydrocarbures comme du gaz naturel, de l'essence ou analogues, on peut utiliser des pi les à combustible qui sont sensibles à l'empoisonnement par le monoxyde de carbone, car le procédé de décomposition catalytique réalisé par les unités de transformation ou des réacteurs donne un mélange de combus tible riche en hydrogène et pratiquement sous monoxyde de carbone, et les étages de nettoyage de combustible, relativement complexes en aval, peuvent alors être supprimés. Les piles à combustible correspondantes ss sont connues actuellement sous la dénomination de piles à combustible
basse température ou piles à combustible PEM.
Le cas échéant, dans certaines applications, on peut égale ment prévoir un nettoyage à posteriori du flux de combustible généré par
exemple par une réaction de méthanisation du monoxyde de carbone se-
lon les formules suivantes: CO + 3H2 <-> CH4 + H20 AH (2gg= -214,1 kJ/mol (a) s CO2 + 4H2 <-> CH4 + 2H20 AHO(298K)= -174,7 kJ/mol (b) Comme la teneur en bioxyde de carbone CO2 dans le flux de
combustible riche en hydrogène pour le procédé de décomposition cataly-
tique proposé, est négligeable en phase de décomposition, la réaction 0 auxiliaire b), non souhaitable reste négligeable. Cela représente un autre
avantage par rapport aux procédés connus d'oxydation partielle, de réfor-
mage autotherme, de réformage à la vapeur pour lesquels une phase de procédé de méthanisation peut conduire à des pertes de concentration d'hydrogène selon l'équation b). Un autre avantage par rapport aux procé dés utilisés habituellement d'oxydation sélective pour le nettoyage fin du monoxyde CO consiste à ne pas fournir de gaz contenant de l'oxygène à
l'étage de nettoyage fin du monoxyde CO.
NOMENCLATURE
1 Unité de construction 2 Répartiteur s 3 Collecteur 4 Réacteur A, A' Flux de matière B. B' Flux de matière lo C, C' Flux de matière
Claims (6)
1 ) Installation de piles à combustible comportant au moins deux unités de transformation pour la décomposition catalytique d'un flux de matière première (A, B. C) donnant au moins un produit intermédiaire et un flux s de combustible riche en hydrogène (A, B. C) pour une unité de piles à combustible, chaque unité de transformation assurant au moins dans une première phase de fonctionnement la transformation du flux de produit de départ (A, B. C), et transformant dans une seconde phase de fonctionne ment le produit intermédiaire avec un flux auxiliaire (A, B. C) pour donner o un flux de produit final (A', B', C'), caractérisée en ce qu' au moins une unité d'échange de chaleur (4) est prévue pour échanger la
chaleur entre les unités de transformation.
s 2 ) Installation de piles à combustible selon la revendication l, caractérisée en ce qu' au moins les unités de transformation et l'unité d'échange de chaleur (4)
sont réalisées sous la forme d'une seule unité de construction (l, 4).
o 3 ) Installation de piles à combustible selon la revendication l, caractérisée par au moins un dispositif de rinçage pour rincer les unités de transformation
avec un flux de rinçage (A, B. C).
s 4 ) Installation de piles à combustible selon la revendication 1, caractérisée par au moins un dispositif de refroidissement pour refroidir les unités de
transformation avec un flux de refroidissement (A, B. C).
5 ) Installation de piles à combustible selon la revendication l, caractérisée par au moins une unité de répartition (2), commandée pour la répartition en fonction du temps des flux de matière d'alimentation (A, B. C) entre les
différentes unités de transformation ou le dispositif de refroidissement.
3s 6 ) Installation de piles à combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'unité de répartition (2) comporte au moins un élément de répartition
pour répartir un flux de matière (A, B. C) vers le dispositif de refroidisse-
ment ou vers plusieurs unités de transformation.
s 7 ) Installation de piles à combustible selon la revendication 1, caractérisée par au moins une unité collectrice commandée (3) pour collecter en fonction du temps des flux de manière à évacuer (A, B. C) des différentes unités de
transformation et/ou du dispositif de refroidissement.
8 ) Installation de piles à combustible selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'unité collectrice (3) comporte au moins un élément collecteur pour col lecter un flux de matière à évacuer (A, B. C) du dispositif de refroidisse
ment ou de plusieurs unités de transformation.
9 ) Installation de piles à combustible selon la revendication 1, caractérisoe en ce que
les unités de transformation ont des structures augmentant leur surface.
) Installation de piles à combustible selon la revendication 9, caractérisce en ce que les structures augmentant la surface sont des éléments tubulaires ou des
éléments en nids d'abeilles ou des éléments de canaux.
11 ) Installation de piles à combustible selon la revendication 1, caractérisce en ce qu' un volume d'une unité de transformation représente une fraction d'un
volume de l'unité de construction (4).
12 ) Procédé de décomposition catalytique d'un flux de matière première (A, B. C) pour donner au moins un produit intermédiaire et un flux de combustible riche en hydrogéne (A, B. C) dans une unité à piles à com bustible comportant une installation de piles à combustible, au moins deux unités de transformation assurant la transformation au moins dans une première phase de fonctionnement, du flux de matière première (A, B. C) et transformant dans une seconde phase de fonctionnement le produit intermédiaire avec un flux auxiliaire (A, B. C) pour donner un flux de pro duit final (A', B', C'), caractérisé en ce qu' il est mis en oeuvre par l'installation de piles à combustible scion l'une
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2151377A2 (fr) * | 2008-08-08 | 2010-02-10 | Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH | Procédé de rinçage d'au moins un élément d'une installation de propulsion d'un véhicule |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7045238B2 (en) * | 2003-03-24 | 2006-05-16 | Ion America Corporation | SORFC power and oxygen generation method and system |
| WO2004086585A2 (fr) * | 2003-03-24 | 2004-10-07 | Ion America Corporation | Systeme sorfc (pile a combustible regeneratrice a oxyde solide) et procede faisant intervenir une reaction d'electrolyse nette exothermique |
| DE10318495A1 (de) * | 2003-04-24 | 2004-11-11 | Bayerische Motoren Werke Ag | Energieumwandlungsvorrichtung sowie Reformereinrichtung und Brennstoffzelleneinrichtung hierfür |
| US7544342B2 (en) * | 2004-08-25 | 2009-06-09 | The Boc Group, Inc. | Hydrogen production process |
| WO2006035210A1 (fr) * | 2004-09-30 | 2006-04-06 | Voller Energy Limited | Generateur d'hydrogene pour pile a combustible |
| FR2879026B1 (fr) * | 2004-12-08 | 2007-03-30 | Renault Sas | Systeme de generation d'energie electrique embarque sur un vehicule automobile equipe d'une pile a combustible et procede associe |
| WO2010094138A1 (fr) * | 2009-02-20 | 2010-08-26 | Nxtgen Emission Controls Inc. Et Al | Procédé de conduite d'un dispositif de transformation de combustible par intermittence |
| DE102013002583A1 (de) * | 2013-02-14 | 2014-08-14 | Etogas Gmbh | Umwandlungsverfahren und Reaktorsystem dafür |
| US10173389B2 (en) * | 2015-12-15 | 2019-01-08 | Bloom Energy Corporation | Carbon dioxide shielded natural gas line and method of using thereof |
| JP6506856B2 (ja) * | 2016-06-16 | 2019-04-24 | 京セラ株式会社 | 改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3962411A (en) * | 1973-12-13 | 1976-06-08 | United Technologies Corporation | Method for catalytically cracking a hydrocarbon fuel |
| US4473622A (en) * | 1982-12-27 | 1984-09-25 | Chludzinski Paul J | Rapid starting methanol reactor system |
| EP0691701A1 (fr) * | 1994-07-05 | 1996-01-10 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Réformateur à plaques |
| US6209494B1 (en) * | 1997-03-14 | 2001-04-03 | Procyon Power Systems, Inc. | Hybrid fuel-cell electric-combustion power system using complete pyrolysis |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1407019A (en) | 1972-12-08 | 1975-09-24 | Int Materials Corp | Fuel reformation method |
| US5221586A (en) * | 1990-09-19 | 1993-06-22 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Power generation system using fuel cells |
| GB9720353D0 (en) * | 1997-09-25 | 1997-11-26 | Johnson Matthey Plc | Hydrogen purification |
| DE19858974B4 (de) * | 1998-12-19 | 2006-02-23 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines Ausgangsstoffes, insbesondere eines Gasgemisches |
| CA2317992A1 (fr) * | 1999-11-08 | 2001-05-08 | General Motors Corporation | Reacteur de conversion a la vapeur d'eau de taille reduite |
| DE10041457A1 (de) * | 2000-08-23 | 2002-03-14 | Buderus Heiztechnik Gmbh | Verfahren zur Regelung eines Brennstoffzellensystems |
| DE10157155A1 (de) * | 2001-11-22 | 2003-06-12 | Omg Ag & Co Kg | Verfahren zur katalytischen autothermen Dampfreformierung von höheren Alkoholen, insbesondere Ethanol |
-
2001
- 2001-07-27 DE DE10136768A patent/DE10136768B4/de not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-06-14 CH CH01018/02A patent/CH696014A5/de not_active IP Right Cessation
- 2002-07-25 US US10/205,659 patent/US6939634B2/en not_active Expired - Fee Related
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- 2002-07-26 NL NL1021167A patent/NL1021167C2/nl not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3962411A (en) * | 1973-12-13 | 1976-06-08 | United Technologies Corporation | Method for catalytically cracking a hydrocarbon fuel |
| US4473622A (en) * | 1982-12-27 | 1984-09-25 | Chludzinski Paul J | Rapid starting methanol reactor system |
| EP0691701A1 (fr) * | 1994-07-05 | 1996-01-10 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Réformateur à plaques |
| US6209494B1 (en) * | 1997-03-14 | 2001-04-03 | Procyon Power Systems, Inc. | Hybrid fuel-cell electric-combustion power system using complete pyrolysis |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2151377A2 (fr) * | 2008-08-08 | 2010-02-10 | Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH | Procédé de rinçage d'au moins un élément d'une installation de propulsion d'un véhicule |
| EP2151377A3 (fr) * | 2008-08-08 | 2013-01-09 | Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH | Procédé de rinçage d'au moins un élément d'une installation de propulsion d'un véhicule |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH696014A5 (de) | 2006-11-15 |
| NL1021167C2 (nl) | 2003-04-14 |
| US6939634B2 (en) | 2005-09-06 |
| US20030031901A1 (en) | 2003-02-13 |
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| DE10136768B4 (de) | 2012-03-01 |
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