FR3049876A1 - Systeme de separation gaz/liquide, application en sortie de reacteur d'(de co-)electrolyse de l'eau a haute temperature (soec) ou de pile a combustible (sofc) - Google Patents

Systeme de separation gaz/liquide, application en sortie de reacteur d'(de co-)electrolyse de l'eau a haute temperature (soec) ou de pile a combustible (sofc) Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système de séparation gaz/liquide, destiné à séparer un liquide initialement sous une phase gazeuse entraînée dans un flux de gaz. Le système selon l'invention, permet, à partir du flux de mélange entraînant un liquide initialement sous une phase gazeuse, à condenser au moins la majeur partie de la phase vapeur puis à collecter par gravité dans une enceinte d'une part la phase liquide continue directement et d'autre part la phase liquide sous forme dispersée de gouttelettes par un filtre agencé sur la section de passage de gaz.

Description

SYSTEME DE SEPARATION GAZ/LIQUIDE, APPLICATION EN SORTIE DE REACTEUR D’ (DE CO-) ELECTROLYSE DE L’EAU A HAUTE TEMPERATURE (SOEC) OU DE PILE A COMBUSTIBLE (SOFC)
Domaine technique
La présente invention concerne les systèmes de séparation gaz/liquide destiné à séparer un liquide initialement sous une phase gazeuse entraînée dans un flux de gaz.
Elle s’applique plus particulièrement au domaine des piles à combustibles à oxydes solides (SOFC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Fuel Cell ») et à celui de l’électrolyse de l’eau à haute température (EHT, ou EVHT pour électrolyse de la vapeur d’eau à haute température, ou HTE acronyme anglais pour High Température Electrolysis, ou encore HTSE acronyme anglais pour High Température Steam Electrolysis) également à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Electrolyte Cell ». L’invention a trait plus particulièrement à la séparation de l’hydrogène produit et de la vapeur d’eau restante en sortie d’électrolyseur EHT.
Art antérieur L’électrolyse de l’eau est une réaction électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène gazeux avec l'aide d'un courant électrique selon la réaction: H20^H2 + I/2O2.
Pour réaliser l’électrolyse de l’eau, il est avantageux de la réaliser à haute température typiquement entre 600 et 950°C, car une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par la chaleur qui est moins chère que l'électricité et l'activation de la réaction est plus efficace à haute température et ne nécessite pas de catalyseur.
Comme schématisée en figure 1, une cellule d’électrolyse à oxydes solides 10, ou « SOEC » (acronyme anglo-saxon « Solid Oxide Electrolyte Cell ») comprend notamment : - une première électrode conductrice poreuse 12, ou « cathode », destinée à être alimentée en vapeur d’eau pour la production de dihydrogène, - une seconde électrode conductrice poreuse 14, ou « anode », par laquelle s’échappe le dioxygène (O2) produit par l’électrolyse de l’eau injectée sur la cathode, et - une membrane à oxyde solide (électrolyte dense) 16 prise en sandwich entre la cathode 12 et l’anode 14, la membrane 16 étant conductrice anionique pour de hautes températures, usuellement des températures supérieures à 600°C.
En chauffant la cellule 10 au moins à cette température et en injectant un courant électrique I entre la cathode 12 et l’anode 14, il se produit alors une réduction de l’eau sur la cathode 12, ce qui généré du dihydrogène (H2) au niveau de la cathode 12 et du dioxygène au niveau de l’anode 14.
Pour mettre en œuvre l’électrolyse à haute température, il est connu d’utiliser un électrolyseur de type SOEC (acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrolyte Cell »), constitué d’un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d’électrolyse à oxydes solides, constituée de trois couches anode/électrolyte/cathode superposées l’une sur l’autre, et de plaques d’interconnexion en alliages métalliques aussi appelées plaques bipolaires, ou interconnecteurs. Les interconnecteurs ont pour fonction d’assurer à la fois le passage du courant électrique et la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (vapeur d’eau injectée, hydrogène et oxygène extrait dans un électrolyseur EHT; air et hydrogène injectés et eau extraite dans une pile SOFC) et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules. Pour réaliser l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température EHT, on injecte de la vapeur d'eau H2O dans le compartiment cathodique. Sous l’effet du courant appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et l’électrolyte: cette dissociation produit du gaz dihydrogène H2 et des ions oxygène O^'. Le dihydrogène est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène 0^“ migrent à travers l’électrolyte et se recombinent en dioxygène O2 à l'interface entre l’électrolyte et l'électrode à oxygène (anode).
Un empilement 20 de cellules d’électrolyse, destiné à produire une quantité importante d’hydrogène, est illustré par la vue schématique de la figure 2. Notamment, les cellules 10 sont empilées les unes sur les autres en étant séparées par des plaques d’interconnexion 18 connectées à une alimentation 22 en vapeur d’eau pour l’injection de cette vapeur sur les cathodes des cellules 10 conformément à un débit de vapeur d’eau Dh^o réglé par une vanne pilotable 24. Les plaques 18 sont également connectées à un collecteur de gaz 26 pour la collecte des gaz issus de l’électrolyse.
Un exemple d’empilement et de structure de plaques d’interconnexion est par exemple décrit dans la demande de brevet WO 2011/110676.
Un tel électrolyseur peut également fonctionner en co-électrolyse, c’est-à-dire avec un mélange de gaz en entrée cathodique composé de vapeur d’eau (H2O) et de gaz carbonique (CO2). Le mélange en sortie cathodique est alors composé d’hydrogène (H2), de vapeur d’eau (H2O), de monoxyde de carbone (CO) et de gaz carbonique (CO2).
Pour la mise en œuvre effective de l’électrolyse par l’empilement 20, l’empilement est porté à une température supérieure à 600°C, usuellement une température comprise entre 600°C et 950°C, l’alimentation en gaz est mise en marche à débit constant et une source d’alimentation électrique 28 est branchée entre deux bornes 30, 32 de l’empilement 20 afin d’y faire circuler le courant/.
La phase gazeuse en sortie de cathode d’(de co-)électrolyseur est un mélange comprenant de l’hydrogène produit et la vapeur d’eau qui n’a pas réagi, c’est-à-dire n’a pas subi d’ (de co-) électrolyse au cours de son passage dans le réacteur.
Le taux d’utilisation du réacteur définit le ratio entre ces deux gaz. A ce jour, il est généralement compris entre 50 et 80%.
Ainsi, il subsiste en sortie de réacteur entre 20 et 50% de vapeur d’eau dans l’hydrogène produit et il est donc nécessaire de séparer ces deux gaz pour ne conserver que l’hydrogène.
La façon la plus simple pour y parvenir consiste à condenser la vapeur d’eau en amenant le mélange à une température Tref inférieure à la température de point de rosée de l’eau. Puis, l’eau liquide condensée est purgée afin de ne conserver que le gaz hydrogène. Cette opération, à priori simple, présente en réalité une difficulté bien souvent ignorée. En effet, l’abaissement de température de la vapeur en dessous de la température de point de rosée va créer une condensation sur les parois froides mais aussi former de fines gouttelettes en suspension sous forme d’un brouillard d’eau.
Dans la conception de la plupart des électrolyseurs, ce brouillard d’eau n’est pas pris en considération. Ainsi, le brouillard d’eau peut se propager dans les lignes de récupération du gaz au-delà du dispositif de purge.
Cela passe inaperçu car il est généralement prévu un purificateur de gaz intégrant un déshumidificateur à adsorption ou à absorption, par exemple des filtres avec des pastilles de gel de silice, dont le rôle est normalement d’absorber la pression partielle de vapeur subsistant à la température de refroidissement Tref-
Ainsi, le déshumidificateur à adsorption ou à absorption absorbe le brouillard d’eau. Or, cela présente l’inconvénient majeur de contribuer de façon très importante à saturer ce déshumidificateur.
Dans la littérature différents dispositifs/systèmes de séparation ont déjà été proposés.
Le modèle d’utilité CN203694856U divulgue un dispositif de séparation gaz/liquide avec une certaine quantité de liquide, dont la hauteur est usuellement appelée garde, dans la partie inférieure du dispositif Le dispositif divulgué ne permet pas de prendre en compte un éventuel brouillard de liquide, et il est passif, c’est-à-dire sans dispositif de mesure ou actionneur. En outre, dans le dispositif divulgué, il y a un risque de vidange de la garde de liquide en cas de surpression de gaz, et donc de fuite de gaz dans la ligne d’évacuation de liquide.
Le modèle d’utilité CN204134378U divulgue un dispositif de séparation de gaz et de solides en suspension, qui ne s’intéresse pas à la séparation d’une phase liquide.
Le brevet EP2014799B1 divulgue une installation d’électrolyse qui comprend des dispositifs de séparation de phase vapeur/eau qui ne traite que les gouttes d’eau. Le principe des dispositifs divulgués est celui de nombreux purgeurs de vapeur du commerce dont la fonction est d’évacuer les gouttes d’eau projetées par l’ébullition de l’eau dans un générateur de vapeur conventionnel. L’interception des gouttes est faite par une grille métallique à mailles fines ou une plaque métallique percée. Cependant, un tel dispositif n’est pas adapté pour le traitement d’un brouillard d’eau car celui-ci peut passer au travers de la grille ou de la plaque métallique percée.
La demande de brevet CN104096421A divulgue un exemple de réalisation de dispositif de piégeage des brouillards d’huile. Ce dispositif est un cas particulier de séparation de phase gaz/liquide, le gaz étant ici de l’air respirable et le liquide de l’huile issue d’une machine-outil. C’est en effet dans le domaine de l’usinage industriel que se pose le problème des brouillards d’huile et de leurs conséquences sur la santé des travailleurs. Des solutions d’épuration de l’air ont été développées mais sont très spécifiques à ce domaine et ne sont pas applicables à un brouillard d’eau.
En d’autres termes, il n’existe pas dans l’état de la technique de solution permettant de piéger au moins la majorité du brouillard d’eau en sortie d’un électrolyseur EHT, en s’affranchissant d’un déshumidificateur à adsorption ou à absorption et ce afin d’éviter les inconvénients liés à sa saturation.
Il existe donc un besoin d’améliorer les systèmes de séparation gaz/liquide des électrolyseurs à haute température pour séparer au moins la majeure partie de la vapeur d’eau présente dans le flux gazeux contenant l’hydrogène en sortie cathodique d’électrolyseurs, et ce notamment en s’affranchissant de déshumidificateur à adsorption et/ou à absorption.
Plus généralement, il existe un besoin d’améliorer les systèmes de séparation gaz/liquide pour séparer au moins la majeure partie de liquide présente sous forme vapeur dans un flux gazeux.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce(s) besoin(s).
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un système de séparation gaz/liquide, destiné à séparer un liquide initialement sous une phase gazeuse entraînée dans un flux de gaz, comprenant : - un dispositif de refroidissement, adapté pour refroidir le flux de gaz à une température Tref, inférieure ou égale au point de rosée de la phase gazeuse, de sorte à condenser au moins la majorité de la phase gazeuse ; - au moins une ligne d’alimentation, adaptée pour alimenter le dispositif de refroidissement en le flux de gaz; - une enceinte; - au moins une première ligne de transmission, adaptée pour évacuer du dispositif de refroidissement, le mélange de gaz et du liquide condensé à la fois sous sa forme continue et sous sa forme dispersée de goutte(lette)s et, à transmettre ledit mélange à l’enceinte,· - une première ligne d’évacuation, reliée à l’enceinte, adaptée pour évacuer le gaz ; -une deuxième ligne d’évacuation reliée à l’enceinte, adaptée pour évacuer par gravité au moins la majeure partie du liquide condensé et collecté dans l’enceinte; - un filtre mécanique, agencé à l’intérieur de l’enceinte dans le passage du gaz, adapté pour capter les goutte(lette)s de liquide entraînées par le gaz de sorte à ce qu’elles soient évacuées par gravité par la deuxième ligne d’évacuation; -un dispositif de purge, adapté pour retenir le liquide collecté par gravité, jusqu’à un volume prédéterminé, appelé garde, et pour laisser s’écouler le liquide à travers la deuxième ligne d’évacuation, lorsque celui-ci a dépassé la garde.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement en un système qui permet, à partir du flux de mélange entraînant un liquide initialement sous une phase gazeuse, à condenser au moins la majeur partie de la phase vapeur puis à collecter par gravité dans une enceinte d’une part la phase liquide continue directement et d’autre part la phase liquide sous forme dispersée de gouttelettes par un filtre agencé sur la section de passage de gaz.
Le liquide condensé ainsi collecté dans l’enceinte est retenu par un dispositif de purge garantissant l’étanchéité au gaz tandis que le gaz passé au travers du filtre est évacué de l’enceinte séparément du liquide.
En aval au sein de la ligne de récupération du gaz, en cas de vapeur encore présente de manière minoritaire dans le gaz, on peut prévoir en sus du système de séparation selon l’invention, un système de purification constitué par des filtres chimiques et/ou autres pièges cryogéniques usuels. Le fait d’avoir piégé les gouttes de brouillard en amont permet à ce système de purification de fonctionner correctement.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de purge comprend un flotteur, agencé sur l’orifice d’entrée de la deuxième ligne d’évacuation, de sorte à obturer celui-ci, soit directement, soit par l’intermédiaire d’organes mécaniques et retenir le liquide jusqu’à la garde, et pour le laisser s’écouler au-delà.
Selon une première variante de réalisation, le dispositif de purge et l’enceinte sont deux composants distincts, reliés entre eux par au moins une deuxième ligne de transmission adaptée pour évacuer par gravité de l’enceinte le liquide capté par le filtre et à le transmettre au dispositif de purge.
Selon une deuxième variante de réalisation, le dispositif de purge et l’enceinte constituent un même composant, la paroi du dispositif de purge qui retient le liquide collecté par gravité, étant constituée par celle de la partie inférieure de l’enceinte.
De préférence, l’orifice d’entrée de la première ligne d’évacuation est débouchant sensiblement à la verticale sur la partie supérieure de l’enceinte.
De préférence encore, l’orifice d’entrée de la première ligne d’évacuation est débouchant sensiblement à l’horizontal sur la partie centrale de l’enceinte, le filtre étant distant dudit orifice d’entrée de sorte à créer entre eux une chambre supplémentaire dans l’enceinte.
Le filtre peut avantageusement être constitué d’une laine minérale ou d’un feutre, perméable.
Avantageusement, le filtre a une épaisseur d’au moins un centimètre, de préférence comprise entre 2 et 5 cm. L’invention concerne également une installation d’électrolyse ou de co-électrolyse à haute température (EHT) comprenant : - un réacteur d’électrolyse ou de co-électrolyse à haute température (EHT) comprenant un empilement de cellules d’(de co-)électrolyse élémentaires à oxydes solides comprenant chacune une anode, une cathode, et un électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, les cellules étant connectées électriquement en série, l’empilement comprenant deux bornes électriques pour l’alimentation en courant des cellules et définissant des chambres de circulation de vapeur d’eau (H2O) et d’hydrogène (H2) ou de vapeur d’eau, d’hydrogène et dioxyde de carbone (CO2) sur les cathodes et, des chambres de circulation en air ou en azote ou en oxygène ou un mélange de gaz contenant de l’oxygène sur les anodes ; - un système de séparation décrit précédemment, la ligne d’alimentation du dispositif de refroidissement constituant la ligne d’évacuation du mélange constitué de l’hydrogène et de vapeur d’eau (H2+) ou du mélange constitué de l’hydrogène, de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone (H2+H2O+CO2) en sortie des cathodes. L’invention concerne enfin une installation de production d’électricité comprenant : - une pile à combustible (SOFC) à haute température comprenant un empilement de cellules électrochimiques élémentaires à oxydes solides comprenant chacune une anode, une cathode, et un électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, les cellules étant connectées électriquement en série, l’empilement comprenant deux bornes électriques pour la récupération en courant des cellules et définissant des chambres de circulation en dihydrogène ou un autre gaz combustible, tel que le méthane (CH4) ou un mélange contenant un gaz combustible, avec de la vapeur d’eau sur les anodes et des chambres de circulation en air ou en azote ou en oxygène ou un mélange de gaz contenant de l’oxygène sur les cathodes ; - un système de séparation décrit précédemment, la ligne d’alimentation du dispositif de refroidissement constituant la ligne d’évacuation du mélange constitué de l’hydrogène et de vapeur d’eau (H2+H2O) ou du mélange constitué de vapeur d’eau et d’un gaz combustible, ou d’un mélange constitué de l’hydrogène, de vapeur d’eau et d’un autre gaz combustible, en sortie des anodes.
Description détaillée D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d’une cellule électrochimique élémentaire d’un électrolyseur EVHT ; - la figure 2 est une vue schématique d’un empilement de cellules selon la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique d’un exemple de système d’un système de séparation H2/H2O selon l’invention, tel qu’il peut être agencé en sortie cathodique d’un électrolyseur EHT; - la figure 4 est une vue schématique d’un premier mode de réalisation avantageux du système selon la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique d’un deuxième mode de réalisation avantageux du système selon la figure 3.
Les figures 1 et 2 relatives à l’état de l’art ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.
On précise ici dans l’ensemble de la présente demande, les termes « inférieure », « centrale », « supérieure », « dessus », « dessous », « intérieure », « extérieure», sont à comprendre par référence à une enceinte du système de séparation selon l’invention agencée à la verticale.
On précise également que les termes « amont », « aval », « entrée », « sortie » sont à considérer par rapport au sens de circulation des gaz et liquide dans le système de séparation selon l’invention.
On précise également que l’électrolyseur en amont du système de séparation selon l’invention est de type à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrolysis Cell ») fonctionnant à haute température.
Ainsi, tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d’une cellule d’électrolyse sont des céramiques. La haute température de fonctionnement d’un électrolyseur (réacteur d’électrolyse) est typiquement comprise entre 600°C et 950°C.
Typiquement, les caractéristiques d’une cellule d’électrolyse élémentaire SOEC convenant à l’invention, du type cathode support (CSC), peuvent être celles indiquées comme suit dans le tableau ci-dessous.
TABLEAU
Le réacteur d’électrolyse ou de co-électrolyse a haute température comprend un empilement 20 de cellules d’(de co-) électrolyse élémentaires à oxydes solides comprenant chacune une anode, une cathode, et un électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, les cellules étant connectées électriquement en série, l’empilement comprenant deux bornes électriques pour l’alimentation en courant des cellules et définissant des chambres de circulation 21 de vapeur d’eau et d’hydrogène ou de vapeur d’eau, d’hydrogène et dioxyde de carbone (CO2) sur les cathodes et, des chambres de circulation 23 en air ou en azote ou en oxygène ou un mélange de gaz contenant de l’oxygène sur les anodes.
Le système de séparation selon l’invention est donc relié à la sortie 26 des cathodes du réacteur EHT, dans laquelle circule un mélange gazeux constitué d’hydrogène et de vapeur d’eau.
Ainsi, le système selon l’invention comprend tout d’abord une ligne d’alimentation 41 reliée, soit directement soit par l’intermédiaire d’un échangeur thermique, à la sortie 26, et dans laquelle circule donc le mélange gazeux constitué d’hydrogène H2 et de vapeur d’eau H2O.
Le système comprend tout d’abord un dispositif de refroidissement 40 de ce mélange gazeux constitué d’hydrogène H2 et de vapeur d’eau H2O dont l’orifice d’entrée est relié à la ligne 41 et l’orifice de sortie est relié à la ligne 42.
Le mélange gazeux H2+H2O a typiquement une température entre 150 et 200°C à l’entrée du dispositif 40. A la sortie du dispositif 40, à pression atmosphérique, la température Tref choisie du mélange H2+H2O est de l’ordre de 15°C. Cette température permet de condenser la majorité de la vapeur d’eau, soit sur sous forme d’un film liquide sur les parois du dispositif de refroidissement 40, soit sous forme de gouttelettes d’un brouillard. Ainsi, avec cette température, le gaz en sortie 42 est composé majoritairement par de l’hydrogène même s’il subsiste toujours une pression partielle de vapeur d’eau, de l’ordre de 17 mbar à 15°C, c’est-à-dire environ 1,7% de molécules d’eau. Le cas échéant, cette vapeur d’eau très minoritaire peut être éliminée en sortie 52 du système de séparation selon l’invention, comme usuellement par des filtres chimiques, pièges cryogéniques...
Comme illustré en figure 3, la ligne de sortie 42 du dispositif 40 est une ligne de transmission du mélange gaz et de l’eau sous forme liquide condensé à la fois sous sa forme continue et sous sa forme dispersée de goutte(lette)s, pour évacuer ce mélange dans une enceinte 50 ad ’hoc. L’enceinte 50 est avantageusement dimensionnée pour réduire la vitesse du gaz de façon à permettre au liquide condensé de descendre par gravité en partie basse. Le diamètre interne de la section de l’enceinte, qui constitue la section de passage des gaz, est dimensionné largement supérieur au diamètre de la ligne de gaz amont 42.
Dans la pratique, le diamètre de l’enceinte 50 peut être avantageusement supérieur d’un facteur 5 au diamètre de la ligne amont 42, ce qui réduit la vitesse des gaz d’un facteur 25. Les inventeurs ont réalisé un prototype en laboratoire avec un diamètre interne d’enceinte de l’ordre de 70 mm, soit 7 fois supérieur au diamètre interne de la ligne de gaz 42 en amont, ce qui permet de réduire la vitesse du gaz avec un facteur d’environ 50.
Une ligne de sortie du gaz 52 est reliée à l’enceinte 50 pour évacuer de celle-ci le gaz. Dans l’exemple illustré en figure 3, l’orifice d’entrée de la ligne 52 est débouchant sensiblement à la verticale sur la partie supérieure de l’enceinte 50.
Une ligne de sortie du liquide condensé 53 est reliée à la partie inférieure de l’enceinte 50 pour évacuer par gravité au moins la majeure partie du liquide condensé et collecté dans l’enceinte.
Pour pouvoir collecter le liquide condensé à l’intérieur de l’enceinte 50, un filtre mécanique 51 est agencé à l’intérieur de celle-ci, dans le passage du gaz. Ce filtre 51 est adapté pour capter les gouttes (lette)s de liquide entraînées par le gaz de sorte à ce qu’elles soient évacuées par gravité par la ligne d’évacuation 53.
Enfin, le système selon l’invention comprend un dispositif 60 de purge permettant d’évacuer le liquide condensé et collecté par le filtre 51 puis par gravité dans la partie inférieure (fond) de l’enceinte 50.
Ainsi, le dispositif de purge 60 retient le liquide collecté par gravité, jusqu’à un volume prédéterminé, appelé garde 61. En cas de dépassement de cette garde 61, le dispositif de purge 60 laisser s’écouler le liquide à travers la ligne d’évacuation 63. Cette garde de liquide 61 garantit l’étanchéité à l’hydrogène au-dessus de la ligne d’évacuation 63.
Selon un mode de réalisation avantageux, illustré aux figures 3 à 5, le dispositif de purge 60 est passif
Il comprend ainsi un flotteur 62, agencé sur l’orifice d’entrée de la ligne d’évacuation 63, de sorte à obturer celui-ci et retenir le liquide jusqu’à la garde, et pour le laisser s’écouler au-delà. Ainsi, le flotteur 62 permet d’asservir, directement ou par l’intermédiaire d’organes mécaniques, l’ouverture de l’orifice de la ligne d’évacuation 63 pour maintenir le niveau d’eau liquide 61 constant. L’avantage d’avoir un dispositif de purge 60 à flotteur 62 est qu’il est complètement passif, et donc ne nécessite aucun apport d’énergie extérieure pour fonctionner.
Le filtre 51 intégré dans la partie supérieure de l’enceinte 50 est avantageusement constitué d’une laine minérale perméable. Le filtre 51 peut aussi être constitué d’un feutre perméable. Les gouttelettes d’eau formant un brouillard viennent ainsi se coller dans les fibres de la laine 51 puis tomber par gravité dans le fond de l’enceinte du fait de la vitesse du gaz relativement faible. On veille à ce que le matériau constitutif du filtre 51 ne soit pas réactif avec l’eau ultra pure résultant de la condensation, ni avec l’hydrogène gazeux. L’épaisseur de ce filtre est de préférence au minimum de quelques millimètres, et de préférence encore de quelques centimètres. Comme la vitesse des gaz est faible, le filtre 51 crée peu de pertes de charge. Par conséquent, des épaisseurs de filtre de 2 à 5 cm garantissent de bons résultats de collecte d’eau.
Comme illustré en figure 3, le dispositif de purge 60 et l’enceinte 50 peuvent être deux composants distincts, reliés entre eux par la ligne 53. A contrario, on peut envisager que le dispositif de purge 60 et l’enceinte 50 constituent un seul et même composant, comme illustré en figures 4 et 5. Dans ce mode de réalisation, le purgeur 60 est ainsi complètement intégré à l’enceinte 50. Ceci permet d’améliorer la compacité du système. A l’échelle industrielle, cela constitue un avantage primordial pour limiter la hauteur, en particulier dans une installation industrielle d’électrolyse à haute température, tout en continuant à tirer parti de l’écoulement naturel par gravité de l’eau. Les inventeurs pensent qu’on peut typiquement obtenir un gain en hauteur d’au minimum 10cm.
Dans les modes de réalisation illustrés en figures 3 et 4, l’orifice d’entrée de la ligne de sortie du gaz débouche sensiblement à la verticale sur la partie supérieure de l’enceinte 50.
Selon une variante avantageuse, telle qu’illustré en figure 5, l’orifice d’entrée de la ligne de sortie du gaz 52 débouche sensiblement à l’horizontal sur la partie centrale de l’enceinte 50. Cette variante permet encore de diminuer la hauteur de l’enceinte 50, typiquement une dizaine de centimètres en hauteur, ce qui améliore donc encore la compacité du système selon l’invention. Dans cette configuration de la figure 5, le filtre est alors agencé à une certaine distance de l’orifice d’entrée de la ligne 52 de sorte à créer entre eux une chambre 54 supplémentaire dans l’enceinte 50. Cette chambre supplémentaire 54 permet au liquide accumulé dans le filtre 51 de s’écouler vers le purgeur 60. Dans cette configuration également, le filtre 51 s’étend sensiblement à la verticale.
Le système selon l’invention vient d’être décrit pour une application à un électrolyseur de vapeur d’eau à haute température.
Il s’applique également à une pile à combustible à oxyde solide à haute température constituée d’un empilement de cellules élémentaires électrochimiques, tel que décrit précédemment. En effet, si la pile à combustible est alimentée en hydrogène H2 avec éventuellement un ajout de vapeur d’eau H2O, le système selon l’invention permet en sortie de la pile, de séparer la vapeur d’eau de l’hydrogène non consommé par la pile et de récupérer cet hydrogène non consommé
De manière plus générale le système s’applique également aux électrolyseurs/piles dans lesquels les gaz, vapeur d’eau H2O ou H2, sont mélangés avec d’autres gaz. Par exemple, dans le cadre d’une co-électrolyse, il est possible d’avoir en sortie cathodique de réacteur, un mélange gazeux d’H20 et de dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables, qui peut être séparé par un système selon l’invention. De même, il est possible de remplacer ou d’ajouter à ΙΉ2 un autre combustible comme le méthane CH4 dans une pile à combustible, que le système selon l’invention peut séparer aisément de la vapeur d’eau.
Ainsi, l’invention s’applique à une installation réversible fonctionnant à haute température, comprenant une pile à combustible SOFC pouvant fonctionner en mode électrolyseur haute température et vice-versa.
Le système selon l’invention peut être mis en œuvre en sortie d’un électrolyseur EHT qui fonctionne à pression atmosphérique ou à des pressions supérieures.
Le système selon l’invention s’applique à tous types d’électrolyseurs qui produisent de l’hydrogène mélangé à de la vapeur d’eau, comme les électrolyseurs EHT dont un exemple vient d’être décrit, les électrolyseurs PEM (acronyme anglais de « Proton Exchange Membrane ») ou alcalins ou encore aux électrolyseurs « moyenne température », i.e. fonctionnant aux environs de 400°C, ou encore PCEC, en anglais pour « Proton Ceramic Electrolysis Cell ».
De manière générale, le système selon l’invention peut être mis en œuvre en sortie de tous les dispositifs produisant un mélange gazeux dont au moins un des composants peut être séparé par condensation. D’autres variantes et avantages de l’invention peuvent être réalisés sans pour autant sortir du cadre de l’invention. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de séparation gaz/liquide, destiné à séparer un liquide initialement sous une phase gazeuse entraînée dans un flux de gaz, comprenant : - un dispositif de refroidissement (40), adapté pour refroidir le flux de gaz à une température Tref, inférieure ou égale au point de rosée de la phase gazeuse, de sorte à condenser au moins la majorité de la phase gazeuse, - au moins une ligne d’alimentation (41), adaptée pour alimenter le dispositif de refroidissement en le flux de gaz; - une enceinte (50) ; - au moins une première ligne de transmission (42), adaptée pour évacuer du dispositif de refroidissement (40), le mélange de gaz et du liquide condensé à la fois sous sa forme continue et sous sa forme dispersée de goutte(lette)s et, à transmettre ledit mélange à l’enceinte (50); - une première ligne d’évacuation (52), reliée à l’enceinte, adaptée pour évacuer le gaz, - une deuxième ligne d’évacuation reliée à l’enceinte, adaptée pour évacuer par gravité au moins la majeure partie du liquide condensé et collecté dans l’enceinte, - un filtre mécanique (51), agencé à l’intérieur de l’enceinte dans le passage du gaz, adapté pour capter les goutte(lette)s de liquide entraînées par le gaz de sorte à ce qu’elles soient évacuées par gravité par la deuxième ligne d’évacuation ; - un dispositif de purge (60), adapté pour retenir le liquide collecté par gravité, jusqu’à un volume prédéterminé, appelé garde (61), et pour laisser s’écouler le liquide à travers la deuxième ligne d’évacuation (63), lorsque celui-ci a dépassé la garde.
  2. 2. Système de séparation selon la revendication 1, le dispositif de purge (60) comprenant un flotteur (62), agencé sur l’orifice d’entrée de la deuxième ligne d’évacuation (63), de sorte à obturer celui-ci, soit directement, soit par l’intermédiaire d’organes mécaniques et retenir le liquide jusqu’à la garde, et pour le laisser s’écouler au-delà.
  3. 3. Système de séparation selon la revendication 1 ou 2, le dispositif de purge et l’enceinte étant deux composants distincts, reliés entre eux par au moins une deuxième ligne de transmission (53) adaptée pour évacuer par gravité de l’enceinte le liquide capté par le filtre et à le transmettre au dispositif de purge.
  4. 4. Système de séparation selon la revendication 1 ou 2, le dispositif de purge et l’enceinte constituant un même composant, la paroi du dispositif de purge qui retient le liquide collecté par gravité, étant constituée par celle de la partie inférieure de l’enceinte.
  5. 5. Système de séparation selon l’une des revendications 1 à 4, l’orifice d’entrée de la première ligne d’évacuation étant débouchant sensiblement à la verticale sur la partie supérieure de l’enceinte.
  6. 6. Système de séparation selon la revendication 5, l’orifice d’entrée de la première ligne d’évacuation étant débouchant sensiblement à l’horizontal sur la partie centrale de l’enceinte, le filtre étant distant dudit orifice d’entrée de sorte à créer entre eux une chambre (54) supplémentaire dans l’enceinte.
  7. 7. Système de séparation selon l’une des revendications précédentes, le filtre étant constitué d’une laine minérale ou d’un feutre, perméable.
  8. 8. Système de séparation selon l’une des revendications précédentes, le filtre ayant une épaisseur d’au moins un centimètre, de préférence comprise entre 2 et 5 cm.
  9. 9. Installation d’électrolyse ou de co-électrolyse à haute température (EHT) comprenant : - un réacteur d’électrolyse ou de co-électrolyse à haute température (EHT) comprenant un empilement de cellules d’(de co-)électrolyse élémentaires à oxydes solides comprenant chacune une anode, une cathode, et un électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, les cellules étant connectées électriquement en série, l’empilement comprenant deux bornes électriques pour l’alimentation en courant des cellules et définissant des chambres de circulation de vapeur d’eau (H2O) et d’hydrogène (H2) ou de vapeur d’eau, d’hydrogène et dioxyde de carbone (CO2) sur les cathodes et, des chambres de circulation en air ou en azote ou en oxygène ou un mélange de gaz contenant de l’oxygène sur les anodes ; - un système de séparation selon l’une des revendications 1 à 8, la ligne d’alimentation du dispositif de refroidissement constituant la ligne d’évacuation du mélange constitué de l’hydrogène et de vapeur d’eau (H2+) ou du mélange constitué de l’hydrogène, de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone (H2+H2O+CO2) en sortie des cathodes.
  10. 10. Installation de production d’électricité comprenant : - une pile à combustible (SOFC) à haute température comprenant un empilement de cellules électrochimiques élémentaires à oxydes solides comprenant chacune une anode, une cathode, et un électrolyte intercalé entre l’anode et la cathode, les cellules étant connectées électriquement en série, l’empilement comprenant deux bornes électriques pour la récupération en courant des cellules et définissant des chambres de circulation en dihydrogène ou un autre gaz combustible, tel que le méthane (CH4) ou un mélange contenant un gaz combustible, avec de la vapeur d’eau sur les anodes et des chambres de circulation en air ou en azote ou en oxygène ou un mélange de gaz contenant de l’oxygène sur les cathodes ; - un système de séparation selon l’une des revendications 1 à 8, la ligne d’alimentation du dispositif de refroidissement constituant la ligne d’évacuation du mélange constitué de l’hydrogène et de vapeur d’eau (H2+H2O) ou du mélange constitué de vapeur d’eau et d’un gaz combustible, ou d’un mélange constitué de l’hydrogène, de vapeur d’eau et d’un autre gaz combustible, en sortie des anodes.
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