FR2987562A1 - Procede et dispositif de separation du dioxyde de carbone d'un melange gazeux - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (110) pour la séparation du dioxyde de carbone contenu dans un mélange gazeux (100) lequel dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une cellule élémentaire comportant : a. un premier ensemble d'électrodes à membrane constituant une sous-cellule électrochimique (211) sous la forme d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnant en mode production d'électricité ; b. un deuxième ensemble d'électrodes à membrane constituant une sous-cellule électrochimique (213) sous la forme d'une pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) fonctionnant en mode électrolyseur ; c. une première plaque intermédiaire poreuse (212) électriquement conductrice intercalée entre le premier (211) et le deuxième (213) ensemble d'électrodes à membrane et en liaison électrique et hydraulique avec ceux-ci ; d. des moyens (602, 321) d'injection pour injecter le mélange gazeux dans ladite première plaque intermédiaire poreuse ; e. une deuxième plaque intermédiaire poreuse (214) électriquement conductrice en liaison électrique et hydraulique avec le deuxième ensemble d'électrodes à membrane ; f. des moyens (603, 322) de collecte pour collecter le dioxyde de carbone séparé du mélange gazeux sur ladite deuxième plaque intermédiaire poreuse (212).

Description

L'invention concerne un procédé et un dispositif de séparation du dioxyde de carbone d'un mélange gazeux. L'invention est applicable en tête dans toute filière visant la captation du dioxyde de carbone (CO2), dans des mélanges gazeux notamment dans des produits de combustion. Pour cette raison le procédé de captation objet de l'invention est essentiellement un procédé dit « postérieur à la combustion » lequel procédé est adaptable à toute installation, y compris existante, produisant de tels rejets ou produits de combustion. L'invention est particulièrement adaptée à des applications visant la captation du dioxyde de carbone issu de sources dites diffuses, telles que des moteurs à combustion interne ou des chaudières domestiques.
La production d'énergie par combustion, notamment à partir de combustibles fossiles, rejette dans l'atmosphère du dioxyde de carbone lequel contribue à l'effet de serre et au réchauffement climatique. La captation de ce dioxyde de carbone est une solution pour limiter ces rejets atmosphériques. Néanmoins, les produits de combustion mettant en oeuvre ces combustibles se présentent sous la forme de mélanges gazeux où ledit dioxyde de carbone est combiné avec d'autres gaz tels que de l'azote, du méthane, des oxydes d'azote (N0x), de la vapeur d'eau des résidus hydrocarbures, du dioxyde de soufre, etc. Aussi, pour capter le dioxyde de carbone il est nécessaire de le séparer de ces autres composés. Selon l'art antérieur, la séparation du CO2 d'un tel mélange gazeux est réalisée par 20 différents procédés, parmi lesquels : - la séparation par voie chimique - lavage du gaz par des solvants, notamment des amines ; - la séparation par carbonatation minérale - la séparation par voie mécanique : 25 - séparation membranaire sur membrane polymère - séparation sur tamis moléculaire de type zéolite couramment désignée PSA acronyme de « pressure swing absorption » - la séparation par voie thermique - par voie cryogénique 30 - la condensation après oxy-combustion à l'oxygène pur. La voie chimique nécessite des surfaces d'échange suffisantes entre le gaz et les produits absorbant le dioxyde de carbone. La voie mécanique nécessite une différence de pression au passage du tamis moléculaire ou de la membrane et la voie thermique nécessite des moyens de refroidissement ou d'injection d'oxygène pur au moment de la combustion. Ainsi, les installations pour la mise en oeuvre de ces procédés occupent des volumes importants. Le procédé dit « PSA », acronyme de « Pressure Swing Absorption » utilise une absorption sélective des gaz ayant une affinité avec certains zéolites. Ce procédé de l'art antérieur, fonctionnant à température ambiante, conduit aux installations de séparation gazeuses les plus compactes connues de l'art antérieur. Il nécessite cependant pour sa mise en oeuvre des installations occupant un volume de l'ordre de la dizaine de m3 au minimum. Or, une grande partie du CO2 rejeté dans l'atmosphère est produite par le transport ou par des installations domestiques, c'est-à-dire dans des véhicules ou dans des bâtiments qui ne peuvent pas intégrer des installations d'un tel volume. Ainsi, la captation de CO2 par les procédés de l'art antérieur est limitée aux applications mettant en oeuvre des installations de production fixes, telles que des centrales thermiques, des cimenteries ou, pour les plus compactes, des chaudières industrielles. L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et notamment à proposer un dispositif et un procédé de séparation du dioxyde de carbone d'un mélange gazeux dont le volume soit suffisamment réduit pour être installé dans un véhicule ou dans un local d'habitation d'un particulier. À cette fin, l'invention concerne un dispositif pour la séparation du dioxyde de carbone contenu dans un mélange gazeux, lequel dispositif comprend une cellule élémentaire comportant : a. un premier ensemble d'électrodes à membrane constituant une sous-cellule électrochimique sous la forme d'une pile à combustible à oxyde solide fonctionnant en mode production d'électricité ; b. un deuxième ensemble d'électrodes à membrane constituant une sous-cellule électrochimique sous la forme d'une pile à combustible à carbonate fondu fonctionnant en mode électrolyseur ; c. une première plaque intermédiaire poreuse électriquement conductrice intercalée entre le premier et le deuxième ensemble d'électrodes à membrane et en liaison électrique et hydraulique avec ceux-ci ; d. des moyens d'injection pour injecter le mélange gazeux dans ladite première plaque intermédiaire poreuse ; e. une deuxième plaque intermédiaire poreuse électriquement conductrice en liaison électrique et hydraulique avec le deuxième ensemble d'électrodes à membrane ; f. des moyens de collecte, pour collecter le dioxyde de carbone séparé du mélange gazeux sur ladite deuxième plaque intermédiaire poreuse. Ainsi, l'invention utilise avantageusement une sous-cellule électrochimique sous la forme d'une pile à combustible à carbonate fondu ou MCFC, acronyme de « Molten Cabonate Fuel Cell » fonctionnant en mode électrolyseur et effectuant l'électrolyse de l'eau contenu dans le mélange gazeux. L'énergie électrique nécessaire à cette électrolyse est en partie fournie par la sous-cellule électrochimique à oxyde solide, ou SOFC, acronyme de « Solid Oxyde Fuel Cell », laquelle cellule électrochimique fonctionne en mode pile à combustible. Ainsi, le dispositif objet de l'invention produit une bonne part de l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Basé sur une juxtaposition de sous-cellules électrochimiques constituées d'ensemble d'électrodes à membrane, le dispositif objet de l'invention est également très compact. Ainsi, le dispositif objet de l'invention est particulièrement adapté pour la séparation du CO2 des gaz d'échappement du moteur à combustion interne d'un véhicule, ou pour une installation sur une chaudière domestique et plus généralement pour toute application où la compacité du dispositif de séparation est un facteur essentiel.
L'invention concerne également un procédé de séparation du dioxyde carbone d'un mélange gazeux comprenant de la vapeur d'eau lequel procédé est mis en oeuvre au moyen du dispositif objet de l'invention comportant une pluralité de cellules élémentaires juxtaposées, lequel procédé comprend les étapes consistant à : i. injecter le mélange gazeux dans la première plaque intermédiaire poreuse de la ième cellule élémentaire; ii. réaliser l'électrolyse de l'eau contenue dans ledit mélange dans la ième sous-cellule électrochimique MCFC de sorte à former, à la cathode de ladite sous-cellule, du dioxyde de carbone (CO2) et du dioxygène (02), et du dihydrogène (H2) à l'anode de ladite sous-cellule ; iii. diffuser H2 vers la cathode de la sous-cellule électrochimique SOFC de la ième cellule élémentaire à travers la première plaque intermédiaire poreuse de ladite ième cellule iv. diffuser CO2 et 02 à travers la deuxième plaque intermédiaire poreuse de la ième cellule élémentaire vers l'anode de la sous-cellule électrochimique SOFC de la (i+1)" cellule élémentaire ; y. consommer 02 dans la (i+1)" sous-cellule SOFC pour la production d'électricité et récolter le CO2 sur la deuxième plaque intermédiaire poreuse de la ième cellule élémentaire. Ainsi, le fonctionnement des sous-cellules MCFC en mode électrolyseur impose le transfert à travers la membrane, de l'anode à la cathode de ces sous-cellules électrochimiques, des ions C032- pour ainsi opérer la séparation du CO2 du mélange gazeux. L'oxygène et l'hydrogène produits lors de l'électrolyse dans la sous-cellule MCFC, sont utilisés pour le fonctionnement des piles SOFC connectées de part et d'autre de ladite sous-cellule MCFC, piles SOFC où l'oxygène réagit avec l'hydrogène issue de l'électrolyse dans la pile MCFC, dans une réaction d'oxydo-réduction, de sorte à former de l'eau. Ainsi, le procédé permet de récupérer le CO2 purifié sur la deuxième plaque intermédiaire poreuse de la ième cellule et les autres composants du mélange gazeux sur la première plaque intermédiaire poreuse de la ième cellule. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisation avantageux exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement le dispositif objet de l'invention comprend une pluralité de cellules élémentaires juxtaposées, chaque cellule élémentaire étant connectée mécaniquement, hydrauliquement et électriquement à la suivante par l'intermédiaire de sa deuxième plaque intermédiaire poreuse. Ainsi, le dispositif objet de l'invention peut être adapté à la quantité et au débit de mélange gazeux à traiter en multipliant le nombre de cellules élémentaires.
Avantageusement les plaques intermédiaires poreuses du dispositif objet de l'invention sont constituées d'un matériau céramique. Ainsi, la dilatation thermique différentielle entre lesdites plaques poreuses et les cellule électrochimiques est réduites et le dispositif est plus résistant à des cycles thermiques d'amplitude importante tels que rencontrés pour des applications mobiles.
Selon un exemple de réalisation les plaques poreuses sont constituées de carbure de silicium (SiC). Selon, un autre mode de réalisation les plaques poreuses sont constituées de titanate de carbure de silicium (Ti3SiC2).
Ces céramiques présentent des propriétés caractéristiques des céramiques et des matériaux métalliques telles que la conductivité électrique et thermique, un module d'élasticité élevé et une résistance mécanique et à la corrosion à haute température. Avantageusement le dispositif objet de l'invention comprend en outre : g. un réservoir d'eau et des moyens pour collecter l'eau produite par les sous-cellules électrochimiques SOFC et l'envoyer dans ce réservoir ; h. des moyens pour injecter de l'eau de ce réservoir conjointement à l'injection du mélange gazeux dans les premières plaques intermédiaires poreuses des cellules élémentaires.
Ainsi le dispositif objet de l'invention est apte à traiter des mélange gazeux ne comprenant pas, ou pas suffisamment, de vapeur d'eau pour initier les réactions. Selon un mode de réalisation du procédé objet de l'invention, utilisant un dispositif comprenant un réservoir d'eau, le mélange gazeux ne comprenant pas de vapeur d'eau, ledit procédé comprend avant l'étape i) une étape consistante à : vi. injecter de la vapeur d'eau avec le mélange gazeux pour initier la réaction. L'injection d'un supplément d'eau n'est nécessaire que pour l'initiation de la réaction, ensuite l'eau est recyclée depuis les sous-cellules SOFC. Avantageusement, le procédé objet de l'invention comprend les étapes consistant à: vii. comprimer le CO2 au sortir de la deuxième plaque intermédiaire poreuse pour le liquéfier ; viii. traiter à basse pression les autres composés du gaz séparé du CO2 et récoltés au sortir de la première plaque intermédiaire poreuse. Ainsi le dispositif objet de l'invention permet de comprimer le dioxyde de carbone 25 sous forme liquide de sorte à réduire le volume de stockage. L'invention concerne également un véhicule comprenant un moteur à combustion interne et comportant : x. un dispositif selon l'un des modes de réalisation précédents connecté à la sortie de l'échappement dudit moteur pour la mise en oeuvre d'un 30 procédé selon le mode de réalisation précédent ; y. un réservoir apte à stocker du dioxyde de carbone sous forme liquéfiée. z. un générateur électrique apte à dériver une partie de la puissance du moteur pour générer un courant électrique apte à compléter la puissance électrique générée par les cellules SOFC ; t. des moyens pour connecter électriquement le générateur électrique avec les premières plaques poreuses des cellules élémentaires. Un tel véhicule capte toutes ses émissions de CO2 les quelles peuvent être récupérées du véhicule en vue de leur fixation, par exemple, lors de chaque plein de carburant dudit véhicule. La majeure partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif de captation étant fournie par les cellules SOFC fonctionnant en mode pile à combustible, le fonctionnement dispositif reste compatible avec l'utilisation du véhicule sans conséquence inacceptable sur les performances dudit véhicule.
L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 8, dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement une installation de séparation du dioxyde de carbone d'un mélange gazeux comprenant un dispositif selon l'invention ; - la figure 2 montre selon une vue schématique en coupe un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention ; - la figure 3 représente en perspective une cellule élémentaire selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, figure 3A, assemblée, et figure 3B selon une vue en éclaté ; - la figure 4 est une vue en perspective des plaques intermédiaires poreuses du dispositif objet de l'invention selon un exemple de réalisation de celui-ci ; - la figure 5 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention comprenant une pluralité de cellules élémentaires assemblées ; - la figure 6 est une vue en perspective et en éclaté du dispositif de la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en perspective et en éclaté d'un exemple de réalisation de l'extrémité correspondant à la borne négative du dispositif représenté figure 5 ; - et la figure 8 est une vue en perspective et en éclaté de l'extrémité correspondant à la borne positive du dispositif de la figure 5. Figure 1, selon un exemple de réalisation, une installation de séparation du dioxyde de carbone d'un mélange gazeux comprend une source d'émission dudit mélange (100). Un tel mélange comprend du CO2 et d'autres gaz, dits diluants, tels que N2. Une telle source est, selon un exemple de réalisation, une machine thermique consommant un combustible fossile telle qu'un moteur à combustion interne ou une chaudière. Ce mélange gazeux (100) est initialement stocké dans un réservoir (181) muni d'un évent (182) de sécurité. Ledit réservoir (181) coopère avec une vanne (183) régulée pour contrôler le débit de gaz dans l'installation. Selon cet exemple de réalisation, le mélange gazeux du réservoir tampon (181) est réchauffé dans un moyen (184) adapté, pour le porter à une température adéquate pour les réactions ultérieures. Ce moyen de chauffage (184) peut être électrique ou utiliser toute autre forme d'énergie disponible, en fonction de l'application. Dans le cas où le mélange gazeux initial (100) ne contient pas ou pas suffisamment d'eau, de la vapeur d'eau (101) est mélangée au gaz dans des moyens de mélange (185) appropriés. Le mélange gazeux (102) comprenant de la vapeur d'eau est envoyé vers le dispositif (110) objet de l'invention pour en séparer les constituants et plus particulièrement le CO2. En sortie du dispositif (110) objet de l'invention le CO2 (103) séparé du mélange gazeux est envoyé vers des moyens de stockage (191) depuis lesquels il est ensuite envoyé vers un traitement ultérieur. Selon un mode de réalisation particulier, ces moyens de stockage (191) peuvent être combinés avec des moyens de compression (non représentés) afin de stocker ledit CO2 sous une forme liquide. Selon une autre sortie du dispositif (110) objet de l'invention, le mélange (104) comprenant les diluants et de la vapeur d'eau est envoyé vers un condenseur (192), qui permet de récupérer l'eau (101') contenu dans ledit mélange (104), les diluants (105) étant évacués, par exemple, à l'air libre. Des moyens (193) permettent de contrôler le niveau de l'eau (101') récupérée par condensation dans le condenseur (192) et de piloter une vanne (194) pour envoyer cette eau vers un réservoir (195) tampon. Le volume de ce réservoir (195), c'est-à-dire le volume d'eau tampon, est calculé en fonction des caractéristiques de l'installation et de la nature du mélange gazeux (100) à traiter. L'eau (101') contenue dans ce réservoir tampon est envoyée vers des moyens de chauffage (196) pour former de la vapeur (101) et la mélanger au mélange gazeux (100) initial. Selon un exemple de réalisation, cette eau peut également être utilisée comme fluide caloporteur dans le condenseur (192). Ainsi, l'eau est traitée en circuit fermé dans l'installation et le volume du réservoir d'eau tampon (195) est calculé en fonction du débit visé et de la quantité d'eau initialement nécessaire pour amorcer le fonctionnement de l'installation mettant en oeuvre le dispositif (110) objet de l'invention.
Figure 2, selon une représentation schématique, le dispositif objet de l'invention (110) comprend une pluralité (i-1), i, (i+1) de cellules élémentaires empilées. Chaque cellule élémentaire est constituée de sous-cellules : - une sous-cellule électrochimique (211) de type SOFC fonctionnant en mode production d'électricité ; - une première plaque poreuse (212) intermédiaire pour l'acheminement, dans la cellule élémentaire, du gaz à traiter ; - une sous-cellule (213) électrochimique de type MCFC fonctionnant en mode électrolyse ; - une seconde plaque poreuse (214) intermédiaire pour la collecte du CO2 séparé et la collecte des électrons nécessaires pour ioniser l'oxygène utilisée pour le fonctionnement de la sous-cellule électrochimique SOFC suivante dans l'empilement. Les premières plaques intermédiaires poreuses (212) de chaque cellule élémentaire permettent également d'acheminer dans le dispositif des électrons apportés extérieurement à celui-ci. Ces plaques (212) sont reliées à la borne négative du dispositif objet de l'invention, les secondes plaques intermédiaires (214) poreuses étant reliées à la borne positive dudit dispositif. Le mélange de gaz (102) comprenant du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau est injecté dans la première plaque intermédiaire poreuse (212). En suivant les échanges entre les sous-cellules d'une cellule élémentaire (i), CO2 et H2O forment H2 et des ions CO3 2- par électrolyse de l'eau sur les sites catalytiques de la sous-cellule MCFC (213). Les ions C032- diffusent à travers la membrane de la sous-cellule MCFC (213). À la cathode de ladite sous-cellule (213) les ions CO3 2- libèrent un électron générant CO2 et 1/2.02. L'hydrogène formée à l'anode de la sous-cellule MCFC (213) diffuse à travers les pores de la première plaque intermédiaire (212) jusqu'à la sous-cellule SOFC (211). De même, l'oxygène formé à la cathode de la sous-cellule MCFC (213) diffuse à travers les pores de la deuxième plaque poreuse (214), tout comme les électrons libérés à cette cathode, jusqu'à l'anode de la sous-cellule SOFC (211) de la cellule élémentaire (i+1) suivante dans l'empilement. Sur les sites catalytiques de l'anode de la sous-cellule SOFC (211) de la cellule élémentaire (i+1), 02 forme des ions 02_ avec les électrons libérés à la seconde plaque poreuse (214) de la ième cellule élémentaire, précédente dans l'empilement. Les ions 02_ ainsi générés, diffusent à travers la (i+V" sous-cellule SOFC (211) pour réagir à la cathode de cette sous-cellule avec les molécules H2 produites à la cathode de la sous-cellule MCFC (213) de cette même 01-1re cellule élémentaire. Ainsi, à la cathode de la sous-cellule SOFC (211) de la (i+1)' cellule élémentaire, H2 et 02_ réagissent sur les sites catalytiques de ladite cellule SOFC (211) pour former H2O dans la même veine fluide dans laquelle H2O est « consommée » par la cellule MCFC (213). Ainsi, le dispositif peut traiter un mélange gazeux (101) ne contenant pas d'eau, à condition d'initier la réaction en injectant de l'eau dans ledit gaz. Ensuite, l'eau circule en circuit fermé.
La sous-cellule SOFC (211) fonctionne en mode générateur et génère une partie des électrons nécessaires au fonctionnement de la sous-cellule MCFC (213) fonctionnant en mode électrolyseur. Cette sous cellule SOFC (211) étant le siège d'une réaction exothermique, elle produit également une partie de la chaleur nécessaire pour compenser le caractère endothermique de la réaction d'électrolyse dans la sous-cellule MCFC (213), laquelle sous-cellule MCFC (213) permet ainsi de dissiper l'énergie thermique libérée par la réaction exothermique dont la sous-cellule SOFC (211) est le siège. Le caractère endothermique de la réaction d'électrolyse dans la sous-cellule MCFC (213) est fonction de la température du mélange gazeux à traiter et conditionne également la quantité d'énergie électrique nécessaire au fonctionnement de cette sous- cellule. Ainsi, hormis la phase de démarrage où un apport externe d'énergie est nécessaire, le point de fonctionnement du dispositif objet de l'invention peut être sélectionné en fonction de la température du mélange gazeux à traiter de sorte que celui-ci fonctionne de manière autonome sans apport d'énergie externe ou en minimisant cet apport externe d'énergie, électrique ou thermique, en fonction des sources disponibles selon l'application visée. La température de fonctionnement du dispositif est limitée à 650° C, qui correspond à une température de fonctionnement courante pour les sous-cellules de type MCFC (213). Typiquement la consommation électrique en apport externe est de 1.KW.heure pour 0,86 Kg à 2,21 Kg de CO2 séparé. Figure 3, selon un exemple de réalisation, une cellule élémentaire (300) constituée d'un empilement de sous-cellules (211, 212, 213, 214) de forme sensiblement quadrangulaire, lesdites sous-cellules sont insérées entre deux types de joints (311, 312) ajourés selon une ouverture centrée sensiblement rectangulaire correspondant à la surface d'échange entre les sous-cellule et dont le pourtour assure la fonction d'étanchéité. Les joints de type 1 (311), sont placés de part et d'autres de chaque cellule SOFC (211) et MCFC (213) et réalisent l'étanchéité avec la partie non poreuse des plaques intermédiaires (212, 213). Les joints de type 2 (312) permettent de réaliser l'étanchéité entre les plaques intermédiaires, et comprennent des lumières (321, 322) oblongues s'étendant dans des directions sensiblement perpendiculaires sur la bordure externe du joint, et qui, une fois les cellules élémentaires (300) empilées et assemblées, dessinent des circuits de distribution du mélange gazeux entrant, et de collecte des gaz séparés. Figure 4, les plaques intermédiaires (212, 214) des deux types sont essentiellement les mêmes, la deuxième plaque intermédiaire (214) étant de structure identique à la première (212) mais tournée de 90° dans le sens horaire. Les joints de type 2 (312) correspondant à ces plaques intermédiaires comprennent à cette fin deux types d'encoches (421, 422) sur deux côtés perpendiculaires desdits joints qui agissent comme des détrompeurs lors du montage du dispositif objet de l'invention. Lesdites plaques poreuses (212, 214) sont constituées d'un matériau électriquement conducteur tel qu'un matériau métallique. Elles sont avantageusement constituées d'une céramique électriquement conductrice, dont le plus faible coefficient de dilatation thermique est plus adapté au montage en empilement et à la température de fonctionnement du dispositif objet de l'invention. Parallèlement, la faible densité de ces céramiques permet de réduire le poids du dispositif. La porosité des plaques et définie de sorte à minimiser la perte de charge à travers le parallélépipède poreux desdites plaques tout en maximisant la surface effective de contact avec les autres sous-cellules, de sorte à réduire la résistance électrique de contact. Typiquement la densité de courant aux interfaces est de l'ordre de 200 mA.cm-2. La surface de contact mécanique étant ainsi optimisée, le dispositif objet de l'invention est apte à fonctionner sous pression. Figure 5, le dispositif (110) objet de l'invention est constitué de l'assemblage de telles cellules élémentaires. À titre d'exemple, la masse d'un tel dispositif est de l'ordre de 500 Kg pour une capacité de traitement d'environ 103 Kg de CO2 par heure. Ainsi le dispositif objet de l'invention est particulièrement bien adapté au traitement des gaz d'échappement de véhicules tels que des locotracteurs, des poids lourds, des bateaux de plaisance ou de tourisme, des engins de chantier ou d'exploitation agricole, ainsi que des chaudières domestiques. Selon cet exemple de réalisation, le dispositif (110) objet de l'invention comprend une pluralité de cellules élémentaires empilées et maintenues entre elles par serrage au moyens de tirants (550) prenant en étau lesdites cellules élémentaires entre deux plaques (512, 514) dites d'extrémité. Les deux extrémités (522, 524) du dispositif objet de l'invention, comprennent, selon ce mode de réalisation, des moyens pour injecter le mélange gazeux à traiter et collecter les produits issus de ce 5 traitement. Ainsi, la première extrémité (522) correspondant à borne positive du dispositif comprend des moyens pour injecter le mélange gazeux à traiter et des moyens pour collecter une partie du CO2 séparé de ce mélange. La seconde extrémité (524) qui correspond à la borne négative du dispositif comprend des moyens pour collecter le mélange constitué par la vapeur d'eau et les diluants ainsi qu'une partie du 10 CO2 séparé du mélange gazeux initial. Figure 6, selon une vue en éclaté d'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, le mélange gazeux à traiter est injecté, à la première extrémité, par des moyens de connexion (602) en partie supérieure du dispositif selon cette vue et circule dans ledit dispositif par l'intermédiaire du conduit dessiné en partie supérieure de ce 15 dispositif par les lumières oblongues supérieures (321) sensiblement horizontales des joints de type 2 dudit dispositif. Le mélange comprenant la vapeur d'eau et les diluants est collecté à la seconde extrémité par des moyens (604) en communication avec le conduit dessiné par les rainures oblongues (321) situés en partie inférieure des joints de type 2. Des moyens (603) de collecte du CO2 sont placés sensiblement au centre 20 de chacune des plaques (512, 514) d'extrémité en communication avec les conduits dessinés par les rainures oblongues (322) sensiblement verticales des joints de type 2. Figure 7, selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, l'extrémité (524) correspondant à la borne négative de ce dispositif, comprend un connecteur (704) apte à collecter dans sa partie basse le mélange constitué des 25 diluants et de la vapeur d'eau, par une lumière oblongue (721) en communication avec les lumières oblongues (321) adjacentes des joints de type 2. Cette lumière oblongue (721) du connecteur (704) est en connexion hydraulique avec les moyens (604) de collecte de ce mélange. Ce connecteur (704) comprend en outre des lumières oblongues (722) sensiblement verticales en communication avec les lumières 30 oblongues (322) adjacentes des joints de type 2. Un cache (703), comprenant des lumières oblongues correspondantes, obstrue la lumière oblongue (721) inférieure dudit connecteur (704) en conservant la communication hydraulique des lumières oblongues verticales avec la plaque d'extrémité (514), laquelle plaque d'extrémité comprend sur sa face interne un usinage (714) pour collecter le CO2 circulant dans ces lumières verticales et le convoyer vers les moyens de collecte (603) du CO2 au centre de cette plaque (514). Figure 8, selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, l'extrémité (522) correspondant à la borne positive dudit dispositif, comprend un connecteur (802) apte à collecter dans sa partie haute le mélange de gaz à traiter, par une lumière oblongue (821) en communication avec les lumières oblongues (321) adjacentes des joints de type 2. Cette lumière oblongue (821) du connecteur (802) est en connexion hydraulique avec les moyens (602) d'injection de ce mélange. Ce connecteur (802) comprend en outre des lumières oblongues (822) sensiblement verticales en communication avec les lumières oblongues (322) adjacentes des joints de type 2. Un cache (803) comprenant des lumières oblongues correspondantes, obstrue la lumière oblongue (821) supérieure dudit connecteur (802) en conservant la communication hydraulique des lumières oblongues verticales avec la plaque d'extrémité (512), laquelle plaque d'extrémité comprend, sur sa face interne, un usinage (812) pour collecter le CO2 circulant dans ces lumières verticales et le convoyer vers les moyens de collecte (603) du CO2 au centre de cette plaque (512). La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier elle permet de réaliser un dispositif de séparation du CO2 d'un gaz produit de combustion, lequel dispositif est particulièrement compact et peu consommateur d'énergie. En particulier, le dispositif objet de l'invention est adapté à une utilisation visant à collecter le dioxyde de carbone produit par un véhicule comportant un moteur à combustion interne. Selon cet exemple de réalisation, le CO2 séparé du gaz d'échappement est avantageusement stocké sous forme liquéfiée de sorte à réduire le volume de stockage. À cette fin, une partie de la puissance du moteur thermique peut être utilisée pour comprimer le gaz et pour produire, par un générateur, l'énergie électrique en supplément de la production des sous-cellules SOFC pour le fonctionnement des sous-cellules MCFC fonctionnant en mode endothermique. Avantageusement, le CO2 ainsi récolté à la source, peut être récupéré, grâce à des équipements spécifiques, lorsque ledit véhicule fait le plein de carburant.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif (110) pour la séparation du dioxyde de carbone contenu dans un mélange gazeux (100) lequel dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une cellule élémentaire comportant : a. un premier ensemble d'électrodes à membrane constituant une sous-cellule électrochimique (211) sous la forme d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnant en mode production d'électricité ; b. un deuxième ensemble d'électrodes à membrane constituant une sous-cellule électrochimique (213) sous la forme d'une pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) fonctionnant en mode électrolyseur ; c. une première plaque intermédiaire poreuse (212) électriquement conductrice intercalée entre le premier (211) et le deuxième (213) ensemble d'électrodes à membrane et en liaison électrique et hydraulique avec ceux-ci ; d. des moyens (602, 321) d'injection pour injecter le mélange gazeux dans ladite première plaque intermédiaire poreuse ; e. une deuxième plaque intermédiaire poreuse (214) électriquement conductrice en liaison électrique et hydraulique avec le deuxième ensemble d'électrodes à membrane ; f des moyens (603, 322) de collecte pour collecter le dioxyde de carbone séparé du mélange gazeux sur ladite deuxième plaque intermédiaire poreuse (214).
  2. 2. Dispositif (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement d'une pluralité de cellules élémentaires (300) juxtaposées, chaque cellule élémentaire étant connectée mécaniquement, hydrauliquement et électriquement à la suivante par l'intermédiaire de sa deuxième plaque intermédiaire poreuse (214).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaquesintermédiaires poreuses (212, 214) sont constituées d'un matériau céramique.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques intermédiaires poreuses (212, 214) sont constituées de carbure de silicium (SiC).
  5. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques intermédiaires poreuses (212, 214) sont constituées de titanate de carbure de silicium (Ti3SiC2).
  6. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : g. un réservoir d'eau (195) et des moyens (192, 193, 194) pour collecter l'eau produite par les cellules électrochimiques SOFC (211) et l'envoyer dans ce réservoir (195) ; h. des moyens (196, 185) pour injecter de l'eau de ce réservoir (195) conjointement à l'injection du mélange gazeux dans les premières plaques intermédiaires poreuses des cellules élémentaires.
  7. 7. Procédé pour la séparation du dioxyde carbone d'un mélange gazeux (102) comprenant de la vapeur d'eau lequel procédé est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : i. injecter le mélange gazeux (102) dans la première plaque intermédiaire poreuse (212) de la ième cellule élémentaire; ii. réaliser l'électrolyse de l'eau contenue dans ledit mélange dans la ième sous-cellule électrochimique MCFC (213) de sorte à former, à la cathode de ladite sous-cellule, du dioxyde de carbone (CO2) et du dioxygène (02), et du dihydrogène (H2) à l'anode de ladite sous-cellule ; iii. diffuser H2 vers la cathode de la sous-cellule électrochimique SOFC (211) de la ième cellule élémentaire à travers la première (212) plaque poreuse intermédiaire de ladite ième cellule iv. diffuser CO2 et 02 à travers la deuxième plaque intermédiaire poreuse(214) de la ième cellule élémentaire vers l'anode de la sous-cellule électrochimique SOFC (211) de la (i+1)" cellule élémentaire ; y. consommer 02 dans la (i+1)" sous-cellule SOFC (211) pour la production d'électricité et récolter le CO2 sur la deuxième plaque intermédiaire poreuse (214) de la ième cellule élémentaire.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, mis en oeuvre au moyen d'un dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mélange gazeux (100) ne comprenant pas de vapeur d'eau, ledit procédé comprend avant l'étape i) une étape consistant à : vi. injecter de la vapeur d'eau (101) avec le mélange gazeux (100) pour initier la réaction.
  9. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : vii. comprimer le CO2 au sortir de la deuxième plaque intermédiaire poreuse (214) pour le liquéfier ; viii. traiter à basse pression les autres composés du gaz séparé du CO2 et récoltés au sortir de la première plaque intermédiaire poreuse (212).
  10. 10. Véhicule comprenant un moteur à combustion interne et caractérisé en ce qu'il comprend: x. un dispositif selon la revendication 2; connecté à la sortie de l'échappement dudit moteur pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 9 ; y. un réservoir apte à stocker du dioxyde de carbone sous forme liquéfiée ; z. un générateur électrique apte à dériver une partie de la puissance du moteur pour générer un courant électrique apte à compléter la puissance électrique générée par les sous-cellules SOFC (211) ; t. des moyens pour connecter électriquement le générateur électrique avec les premières plaques poreuses intermédiaires (212) des cellules élémentaires (300).30
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