WO2023117731A1 - Procédé de régulation de l'humidité d'un gaz - Google Patents

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WO2023117731A1
WO2023117731A1 PCT/EP2022/086275 EP2022086275W WO2023117731A1 WO 2023117731 A1 WO2023117731 A1 WO 2023117731A1 EP 2022086275 W EP2022086275 W EP 2022086275W WO 2023117731 A1 WO2023117731 A1 WO 2023117731A1
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WO
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gas
bubbler
tank
thermoregulation
water
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PCT/EP2022/086275
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English (en)
Inventor
Ilies Driss
Stéphan LATIL
Alain Rocheux
Original Assignee
H2Gremm
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/261—Drying gases or vapours by adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the humidity of a gas. It applies, in particular, to the process requiring hydrogen saturated with humidity at the input and dry at the output.
  • the field of the invention applies to electrochemical compressors or gas separators.
  • the inlet gas must contain sufficient relative humidity for the system to function properly.
  • the output gas must contain an absolute humidity low enough to be stored and used in various applications.
  • Relative humidity corresponds to the ratio of the partial pressure of water vapor contained in the air to the saturation vapor pressure (or vapor pressure) at the same temperature.
  • the system may be damaged or destroyed in the short term.
  • the storage elements as well as the expansion valves may corrode and the elements using this excessively humid hydrogen may see their service life reduced.
  • the standards require a moisture concentration in hydrogen of less than 5ppm.
  • the system operates at a given optimal temperature (for example from 20°C to 60°C).
  • the humidity control process In order to achieve system inlet gas humidity saturation, the humidity control process must operate at the same inlet temperatures and pressure as the system.
  • the dryer At the system outlet, the dryer must operate at the System setpoint pressure (for example between 300 and 1000 bar).
  • the system operates for gas flow rates between 200 and 2000 NL/hour.
  • the unit NL/hour means normal liter per hour or liter of gas per hour at standard temperature and pressure conditions.
  • the flow can be measured with a flow meter and controlled through this flow meter.
  • a bubbler consists of a tank containing liquid water through which a gas passes in the form of microbubbles.
  • the gas in contact with water is humidified until it reaches saturation depending on the temperature and pressure conditions in the bubbler.
  • a temperature maintenance system is installed between the bubbler and the compressor to avoid having cold spots and always remain at a temperature above the gas condensation temperature.
  • the desiccant dryer allows operation up to 1000 bar and has a very good drying capacity, the disadvantage is that it requires replacement or regeneration of the desiccant when it becomes saturated with water.
  • Enclosures resistant to medium pressures (up to 700 bar), modified to measure are used today, they make it possible to contain the desiccant as well as the condensed water.
  • the compressed gas and the condensate are found in the same enclosure. During condensate drains, part of the gas is lost, because it is evacuated at the same time as the water. They are made of massive and expensive stainless steel parts. Each maintenance requires a replacement of the sealing gasket. The design of these enclosures generally makes this procedure delicate.
  • the permeation drying solution has the same regeneration problem and uses part of the dried hydrogen to absorb the moisture accumulated on the membranes, so there are significant gas losses.
  • Another disadvantage is the operating pressure which does not accept pressures above 35 bar for small installations and therefore at low flow.
  • the cooling unit drying solution available on the market makes it possible to reach a dew temperature close to 0°C but does not accept pressure greater than a few bars. It is therefore not possible to reach 5ppm under these pressure and temperature conditions.
  • the solution of phase separation by coalescence makes it possible to separate the phases of liquid water and vapor. This solution does not achieve sufficient drying.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks with a totally innovative approach.
  • the invention aims to: - Ensure that the incoming gas is saturated with humidity, i.e. 70% ⁇ RH ⁇ 99%; - Ensure that the outgoing gas carries a water concentration of less than 5ppm.
  • Another objective is to guarantee the saturation of the gas with humidity whatever the operating temperature.
  • one objective of the invention is to provide such a technique making it possible to dispense with any other complex adjustment system.
  • Another object of the invention is to provide such a technique which is inexpensive to implement and which does not require any particular maintenance.
  • a method for regulating the humidity of a gas comprises the steps following: - a first step of regulating the humidity of a gas entering a bubbler at a rate of between 200 NL/h and 2000 NL/h and the relative humidity of the gas entering the compressor is between 70% and 99%
  • said bubbler comprises the following elements: - a bubbler reservoir comprising an inlet and an outlet, - a thermoregulation tank which surrounds said tank of the bubbler, - a volume of thermoregulation water contained in said thermoregulation tank, - a thermoregulation water circulation pump;
  • - Said bubbler reservoir comprises a first porous matrix located at the bottom of the bubbler reservoir close to the inlet; the gas entering the bubbler through the inlet of the bubbler reservoir passes through the first porous matrix positioned in a volume of water contained in the bubbler reservoir, the humidified gas exits through the outlet of the bubbler reservoir and circulates towards a compressor
  • the gas entering the compressor is saturated with humidity, i.e. 70% ⁇ RH ⁇ 99% and optimizes its operation; and after the dryer step, the outgoing gas carries a water concentration of less than 5ppm which allows for various applications.
  • the internal volume of the bubbler is also used as a shock absorber for variations in the pressure of the incoming gas, thus allowing simplified management of the compressor.
  • the bubbler maintains an optimal water level using an automated purge and fill system.
  • a single temperature regulator installed around the bubbler makes it possible to adjust the temperatures of the bubbler and the associated compressor.
  • the design of a dryer based on standard components allows a reduction in costs, a simplification of maintenance and greater modularity.
  • the incoming gas comes from an electrolyser and has a relative humidity of less than 50%.
  • thermoregulation water is ensured by a thermoregulation element.
  • the first stage thermoregulation element includes fins placed around the thermoregulation tank.
  • the first stage thermoregulation element comprises a fan configured to ensure the circulation of air in contact with the fins.
  • a second porous matrix is located in the upper part of the bubbler tank near the outlet of the bubbler tank, the humidified gas passes through the second porous matrix before leaving the bubbler tank. It is used as a safety element preventing the passage of liquid water.
  • the relative humidity of the gas entering the compressor is between 70% and 99%, preferably between 95% and 99%.
  • said method includes a third shutdown step to purge the volume of water contained in the bubbler tank then fills it with a new volume of water.
  • the condensate contained in one of the outlets of the T-shaped tube is purged.
  • said method when the humidity level of the gas is higher than the predetermined threshold, preferably when it exceeds the threshold of 5 ppm, said method includes a visual, audible or terminal warning step indicating the need desiccant replacement.
  • the bubbler is maintained at a temperature close to the temperature of the incoming gas.
  • the bubbler must therefore be maintained at a temperature a few degrees lower than the temperature of the incoming gas to keep the relative humidity rate within the required range (70% ⁇ RH ⁇ 99%).
  • thermoregulator the incoming gas is temperature-regulated by means of a thermoregulator.
  • Thermoregulation is carried out at the level of the bubbler using a finned tube and a fan.
  • the solution consists in encapsulating the bubbler assembly and the gas entering the same thermo-regulated circuit. This avoids electricity consumption for maintaining the temperature (resistors and heating cables).
  • the bubbler and the coaxial tube containing the incoming gas participate in the dissipation of heat in the event that the system produces an exothermic reaction requiring cooling.
  • thermoregulator is slightly lower than the initial configuration necessary for the same quantity of incoming gas.
  • the object of the invention for the drying part takes up the characteristic of drying by desiccation, but modifies its architecture.
  • This new architecture makes it possible to collect the liquid phase before passing through the desiccant.
  • the separation of these two phases allows a simplification of the assembly as well as greatly limiting the gas losses at each purge.
  • the bubbler B consists of an enclosure containing a volume of water 5 sized according to the needs of the quantity of gas to be treated, accepting pressures of a few tens of bars, made of a material that is a good thermal conductor and resistant to corrosion .
  • the incoming gas comes from an electrolyser 1.
  • the incoming gas is hydrogen.
  • the flow between 200 and 2000NL/h, with insufficient relative humidity ( ⁇ 50%) under the pressure and temperature conditions present in the system. For example 35°C at 35bar.
  • the flow rate is linked by the operating power of the electrolyser.
  • a bubbler tank 3 in stainless steel combines all these characteristics.
  • the microbubbles are created by inserting a first porous matrix 4 into them.
  • a porous matrix is a solid material containing small pores or cavities that leave room for the flow of a fluid. This material can be made of different materials: metal, ceramic, carbon, plastic...
  • the bubbler tank 3 has an inlet and an outlet.
  • thermoregulation water 7 is in a closed circuit, it can in no case be in the tank bubbler 3.
  • thermoregulation water 7 also circulates in a tube 9 coaxial with the tube transporting the hydrogen between the bubbler and the compressor 18.
  • the compressor 18 is a device requiring a gas saturated with humidity.
  • the gas not saturated with humidity, coming from the electrolyser enters the tank of the bubbler 3 and passes through the first porous matrix 4 itself placed in the volume of water 5.
  • the first porous matrix 4 is located at the bottom of the bubbler tank 3 near the inlet of the thermoregulation tank 6.
  • the humidified gas passes through a second porous matrix 9 which makes it possible to avoid any liquid water rising and allowing only the gaseous phase to pass.
  • a humidity measurement is carried out using a dew point sensor 17, this sensor makes it possible to ensure that the humidity content is between 70% and 99%.
  • the remaining volume of water 5 is purged via a first solenoid valve 22, followed by automatic filling using a second solenoid valve 11; water from a filtration system 12.
  • the water is injected directly into the bubbler using a tube 13 coaxial with the tube 15 allowing the circulation of the gas.
  • a check valve 16 protects the filtration system 12 from gas pressure when the system is restarted.
  • the pressure sensor 14 allows management of the quantity of water injected. Indeed, the addition of water in the bubbler reduces the volume available for the gas, causing an increase in the pressure of the latter.
  • Fins 27 are placed around the thermoregulation tank, they make it possible to maximize the exchange of heat with the outside air. If necessary, an 8 fan allows better air circulation in contact with the fins and precise control of the cooling temperature.
  • An alternative solution consists in replacing this thermoregulation system integrated into the bubbler by an independent system.
  • the temperature of the thermoregulation tank is close to the temperature of the compressor with a difference of between -1°C and -10°C.
  • the temperature of the thermoregulation tank is identical to the temperature of the compressor.
  • the gas After passing through the compressor 18, the gas is dried in two stages.
  • the first step is to separate the liquid phase from the gas phase.
  • a T-shaped tube 19 crossed by a fine tube placed vertically, will allow separation of the two phases by gravity.
  • the speed of the fluid is low enough (approximately 1cm/sec) for the water to flow and not be carried away by the gas during its ascent towards the T-shaped tube 19.
  • the liquid water 20 is stored in a tube for the duration of the operating session. This water is evacuated at the same time as the water from the bubbler at the end of the session using the first solenoid valve 22. Before that, an expansion is carried out using an expansion valve 21. This expansion allows equalize the outlet pressures of the dryer and the bubbler and avoid a purge at more than 300bar, which would pose a safety risk for the user, as well as alterations on equipment operating at low pressure 1 and 3.
  • One of the advantages of separating the condensate 20 (liquid water) from the desiccant tank 24 using a check valve 23 is that it is no longer necessary to drain the entire tank at the end of each cycle. It is only the condensate part that is purged. The gain achieved is significant. For example, with a 1L desiccant tank, and an operating pressure of 400bar, this represents 400NL of gas losses avoided, i.e. approximately one hour of operation at each cycle compared to a solution mixing condensate and desiccant.
  • the hydrogen gas is led into the bottom of a desiccant tank 24.
  • the moisture in the form of vapor contained in the gas is absorbed by the desiccant beads. The efficiency of this absorption is ensured until total saturation of the capacity of the desiccant. Once saturated, the desiccant is replaced or regenerated.
  • the volume of the tank determines the quantity of desiccant and therefore the frequency of maintenance. For example, to meet the need for treatment of a gas with a flow rate of 5000NL/day, a 1L capacity tank of desiccant is sufficient to space out the maintenance periods by one year.
  • the dry gas is stored in a pressurized tank 26. This gas is then consumed through various applications.
  • the tank 26 is a device or a capacity requiring a gas with a very low humidity content.
  • the dew point sensor 25 is used to monitor the residual humidity level in the outgoing gas flow. Depending on the objective, for example 5ppm, exceeding this value will initiate an alert for the replacement of the desiccant.
  • a first step 101 of regulating the humidity of a gas entering a bubbler B said bubbler B is contained in a thermoregulation tank 6 in which thermoregulation water 7 circulates in a closed circuit.
  • the humidified gas leaves the bubbler B to arrive at a compressor 18.
  • the water circulation pump 2 is used to circulate around the bubbler B water which has a certain temperature and which prevents the assembly from overheating.
  • a second step 102 for drying the gas from the first step said drying separates the liquid phase of the gas from the gaseous phase by a T-shaped tube comprising an inlet and two outlets, one of the outlets is vertical and by the effect of gravity lets the liquid phase of the gas flow, the other outlet is connected at the level of the bottom of a desiccant tank 24; at the outlet of the desiccant tank, the dried gas is stored in a tank 26.
  • a third stoppage step 103 to purge the volume of water 5 from the bubbler and the condensate from the dryer 20, then the filling of a new volume of water 5.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de régulation de l'humidité d'un gaz.11 comporte les étapes suivantes: une première étape (101) de régulation de l'humidité d'un gaz entrant dans un bulleur (B) à un débit compris entre 200 NL/h et 2000NL/h, le gaz entrant dans le bulleur (B) par l'entrée du réservoir du bulleur (3) passe au travers de la première matrice poreuse (4), le gaz humidifié sort par la sortie du réservoir du bulleur (3) et circule vers un compresseur (18); une deuxième étape (102) de séchage du gaz issu de la première étape, le gaz sortant du compresseur (18) passe par un tube en forme de T (19) comportant une entrée et deux sorties, l'une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s'écouler la phase liquide du gaz créant un condensât (20), l'autre sortie est reliée au niveau du fond d'un réservoir de dessicant (24).

Description

Procédé de régulation de l’humidité d’un gaz Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un procédé de régulation de l’humidité d’un gaz. Elle s’applique, en particulier, au procédé nécessitant de l’hydrogène saturé en humidité en entrée et sec en sortie.
Par exemple, le domaine de l’invention s’applique aux compresseurs électrochimiques ou aux séparateurs de gaz.
Dans les systèmes existants ou les procédés existants, le gaz en entrée doit contenir une humidité relative suffisante pour que le système fonctionne correctement. Le gaz en sortie doit contenir une humidité absolue suffisamment basse pour être stocké et utilisé dans diverses applications.
Il existe des documents divulguant des procédés d’humidification d’un gaz au moyen d’un bulleur, par exemple les documents US2010/201006, CN112713288, US2003/188638 et FR2018902.
L’humidité relative correspond au rapport de la pression partielle de la vapeur d'eau contenue dans l'air sur la pression de vapeur saturante (ou tension de vapeur) à la même température.
Si le gaz en entrée contient une humidité insuffisante, le système peut être endommagé ou détruit à court terme.
Si le gaz en sortie contient une humidité en excès, les éléments de stockage ainsi que les détendeurs peuvent se corroder et les éléments utilisant cet hydrogène trop humide peuvent voir leur durée de vie réduite. Pour éviter ces problèmes, les normes exigent une concentration en humidité dans l’hydrogène inférieure à 5ppm.
Le système fonctionne à une température optimale donnée (par exemple de 20°C à 60°C).
Afin d’atteindre la saturation en humidité du gaz en entrée du système, le procédé de régulation de l’humidité doit fonctionner aux mêmes températures et pression d’entrée que le système.
En sortie du système, le sécheur doit fonctionner à la pression de consigne du Système (par exemple entre 300 et 1000 bar).
Le système fonctionne pour des débits de gaz compris entre 200 et 2000 NL/heure.
L’unité NL/heure signifie normo-litre par heure ou litre de gaz par heure aux conditions standard température et pression. Le débit peut se mesurer avec un débitmètre et être contrôlé par l’intermédiaire de ce débitmètre.
Par commodité nous nommerons « bulleur » le procédé de régulation de l’humidité du gaz en entrée et « sécheur » le procédé de régulation de l’humidité en sortie.
Un bulleur est constitué d’un réservoir contenant de l’eau liquide au travers de laquelle un gaz passe sous forme de microbulles. Le gaz au contact de l’eau est humidifié jusqu’à atteindre la saturation suivant les conditions de température et de pression dans le bulleur.
Un système de maintien en température est installé entre le bulleur et le compresseur pour éviter d’avoir des points froids et toujours rester à une température supérieure à la température de condensation du gaz.
Des solutions existent mais il n’est pas possible de satisfaire le besoin avec un bulleur vendu sur le marché car il ne permet pas de supporter des pressions supérieures à quelques bars.
L’utilisation d’un contrôleur de point de rosée permettrait d’avoir un contrôle précis de la teneur en humidité. Cependant cette solution est bien plus onéreuse et complexe et n’accepte pas des pressions supérieures à quelques bars.
Pour pallier ce problème, les industriels ne souhaitant pas investir dans un contrôleur de point de rosée et souhaitant utiliser un équipement moins coûteux et plus robuste, maintiennent la température de leur bulleur à l’aide d’une résistance électrique : des câbles électriques chauffants sont disposés le long des conduites de gaz pour éviter les points froids entre le bulleur et le système. L’objectif est de maintenir une température suffisante et ne pas avoir de condensation.
Des solutions de séchage de gaz permettant d’atteindre 5ppm pour des débits de 200 à 2 000 NL/h sont nombreuses :
- Le sécheur à dessiccation permet un fonctionnement jusqu’à 1 000 bar et a une très bonne capacité de séchage, l’inconvénient est qu’il nécessite un remplacement ou une régénération du dessicant lorsqu’il est saturé en eau. Des enceintes résistantes aux moyennes pressions (jusqu’à 700 bar), modifiées sur mesure sont aujourd’hui utilisées, elles permettent de contenir le dessicant ainsi que l’eau condensée. Le gaz comprimé et le condensat se retrouvent dans la même enceinte. Lors des purges de condensat, une partie du gaz est perdu, car évacué en même temps que l’eau. Ils sont constitués de pièces en acier inox massives et couteuses. Chaque maintenance demande un remplacement du joint permettant l’étanchéité. La conception de ces enceintes rend généralement cette procédure délicate.
- La solution de séchage par perméation a la même problématique de régénération et utilise pour cela une partie de l’hydrogène séché pour absorber l’humidité accumulée sur les membranes, il y a donc des pertes de gaz significatives. Un autre inconvénient est la pression de fonctionnement qui n’accepte pas des pressions supérieures à 35 bar pour de petites installations et donc à faible débit.
- La solution de séchage par groupe froid disponible sur le marché permet d’atteindre une température de rosée proche de 0°C mais n’accepte pas de pression supérieure à quelques bars. Il n’est donc pas possible d’atteindre 5ppm dans ces conditions de pression et température.
-La solution de séparation de phase par coalescence permet de séparer les phases d’eau liquide et vapeur. Cette solution ne permet pas d’atteindre un séchage suffisant.
 Présentation de l'invention
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice.
Plus précisément, l’invention a pour but de :
- Garantir que le gaz entrant est saturé en humidité, soit 70% ≤ HR ≤ 99% ;
- Garantir que le gaz sortant est porteur d’une concentration en eau inférieure à 5ppm.
Un autre objectif est de garantir la saturation du gaz en humidité quelle que soit la température de fonctionnement.
En particulier, un objectif de l’invention est de fournir une telle technique permettant de s’affranchir de tout autre système de réglage complexe.
Un autre objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui soit peu coûteuse à mettre en œuvre et qui ne nécessite pas d’entretien particulier.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints, selon un premier aspect, à l’aide d’un procédé de régulation de l’humidité d’un gaz, remarquable en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
- une première étape de régulation de l’humidité d’un gaz entrant dans un bulleur à un débit compris entre 200 NL/h et 2000NL/h et l’humidité relative du gaz entrant dans le compresseur est comprise entre 70% et 99%, ledit bulleur comprend les éléments suivants :
- un réservoir du bulleur comportant une entrée et une sortie,
- un réservoir de thermorégulation qui entoure ledit réservoir du bulleur,
- un volume d’eau de thermorégulation contenu dans ledit réservoir de thermorégulation,
- une pompe de circulation d’eau de thermorégulation ;
- ledit réservoir du bulleur comporte une première matrice poreuse située au niveau du fond du réservoir du bulleur à proximité de l’entrée ;
le gaz entrant dans le bulleur par l’entrée du réservoir du bulleur passe au travers de la première matrice poreuse positionnée dans un volume d’eau contenu dans le réservoir bulleur, le gaz humidifié sort par la sortie du réservoir du bulleur et circule vers un compresseur ; le volume d’eau de thermorégulation circule dans un circuit fermé passant par le réservoir de thermorégulation, la pompe de circulation et le compresseur ;
- une deuxième étape de séchage du gaz issu de la première étape, le gaz sortant du compresseur passe par un tube en forme de T comportant une entrée et deux sorties, l’une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s’écouler la phase liquide du gaz créant un condensat, l’autre sortie est reliée au niveau du fond d’un réservoir de dessicant ; en sortie du réservoir de dessicant le gaz séché est stocké vers un réservoir et comporte une humidité inférieure à un seuil prédéterminé.
Grâce à ces dispositions, le gaz entrant dans le compresseur est saturé en humidité, soit 70%≤HR≤99% et optimise son fonctionnement ; et après l’étape du sécheur, le gaz sortant et est porteur d’une concentration en eau inférieure à 5ppm qui permet d’avoir des applications diverses.
Il existe d’autres avantages comme le besoin de moins refroidir par rapport à d’autre procédé, un procédé dont les conditions du gaz sortant sont assurées et respectées.
Le volume interne du bulleur est par ailleurs utilisé comme amortisseur des variations de pression du gaz entrant, permettant ainsi la gestion simplifiée du compresseur.
Le bulleur maintient un niveau d’eau optimal à l’aide d’un système de purge et de remplissage automatisé.
Un unique régulateur de température installé autour du bulleur permet d’accorder les températures du bulleur et du compresseur associé.
En séparant le condensat en amont du sécheur de gaz, on minimise les pertes de gaz lors des purges de ce condensat.
La conception d’un sécheur à base de composants standards permet une réduction des couts, une simplification de la maintenance et une plus grande modularité.
L’invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Dans un mode de réalisation, lors de la première étape le gaz entrant est issu d’un électrolyseur et comporte une humidité relative inférieure à 50%.
Dans un mode de réalisation, lors de la première étape, la température de l’eau de thermorégulation est assurée par un élément de thermorégulation.
Dans un mode de réalisation, l’élément de thermorégulation de la première étape comporte des ailettes placées autour du réservoir de thermorégulation.
Dans un mode de réalisation, l’élément de thermorégulation de la première étape comporte un ventilateur configuré pour assurer la circulation de l’air en contact avec les ailettes.
Dans un mode de réalisation, lors de la première étape, une deuxième matrice poreuse est située en partie haute du réservoir bulleur à proximité de la sortie du réservoir du bulleur, le gaz humidifié traverse la deuxième matrice poreuse avant de sortir du réservoir du bulleur. Elle est utilisée comme élément de sécurité empêchant le passage d’eau liquide.
Dans un mode de réalisation, lors de la première étape l’humidité relative du gaz entrant dans le compresseur est comprise entre 70% et 99%, de préférence entre 95% et 99%.
Dans un mode de réalisation, ledit procédé comporte une troisième étape de mise à l’arrêt pour purger le volume d’eau contenu dans le réservoir bulleur puis le remplit d’un nouveau volume d’eau.
Dans un mode de réalisation, lors de la troisième étape de mise à l’arrêt, le condensat contenu dans l’une des sorties du tube en forme de T est purgé.
Dans un mode de réalisation, lorsque le taux d’humidité du gaz est supérieur au seuil prédéterminé, de préférence lorsqu’il dépasse le seuil de 5 ppm, ledit procédé comporte une étape d’alerte visuelle, sonore ou par un terminal indiquant la nécessité de remplacement du dessicant.
 Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit, faite dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
La représente un schéma de principe de l’invention, objet de la présente invention ;
La représente les étapes du procédé de régulation, objet de la présente invention.
Gaz entrant :
Pour atteindre une humidité relative du gaz entrant comprise entre 70 et 100% en entrée, le bulleur est maintenu à une température proche de la température du gaz entrant.
Une température identique permet d’atteindre 100% d’humidité relative.
Le bulleur doit donc être maintenu à une température inférieure de quelques degrés par rapport à la température du gaz entrant pour garder le taux d’humidité relative dans la fourchette requise (70% ≤ HR ≤ 99%).
Si la température du bulleur est supérieure à la température du gaz entrant, il y a une apparition de condensation, ce qui peut nuire au fonctionnement global.
Pour se faire, le gaz entrant est régulé en température au moyen d’un thermorégulateur. La thermorégulation est effectuée au niveau du bulleur à l’aide d’un tube à ailettes et d’un ventilateur.
La solution consiste à encapsuler l’ensemble bulleur et gaz entrant dans le même circuit thermo régulé. Ceci permet d’éviter une consommation électrique pour le maintien en température (résistances et câbles chauffants). Le bulleur et le tube coaxial contenant le gaz entrant participent à la dissipation de la chaleur dans le cas où le système produit une réaction exothermique nécessitant un refroidissement.
En conséquence, le dimensionnement du thermorégulateur est légèrement inférieur à la configuration initiale nécessaire pour une même quantité de gaz entrant.
Gaz sortant :
L’objet de l’invention pour la partie séchage reprend la caractéristique de séchage par dessiccation, mais modifie son architecture. Cette nouvelle architecture permet de collecter la phase liquide avant le passage dans le dessicant. La séparation de ces deux phases permet une simplification du montage ainsi que de limiter grandement les pertes de gaz à chaque purge.
La représente un schéma de principe de l’invention.
Le bulleur B est constitué d’une enceinte contenant un volume d’eau 5 dimensionné selon les besoins de la quantité de gaz à traiter, acceptant des pressions de quelques dizaines de bar, fait d’un matériau bon conducteur thermique et résistant à la corrosion. Le gaz entrant est issu d’un électrolyseur 1. Dans l’exemple, le gaz entrant est de l’hydrogène. Le débit compris entre 200 et 2000NL/h, ayant une humidité relative insuffisante (<50%) dans les conditions de pression et température présente dans le système. Par exemple 35°C à 35bar. Le débit est lié par la puissance de fonctionnement de l’électrolyseur.
Un réservoir du bulleur 3 en inox regroupe toutes ces caractéristiques. Les microbulles sont créées en y insérant une première matrice poreuse 4. Une matrice poreuse est un matériau solide renfermant des pores ou des cavités de petite taille qui laissent de la place pour l’écoulement d’un fluide. Ce matériau peut être constitué de différentes matières : métal, céramique, carbone, plastique…
Le réservoir du bulleur 3 comporte une entrée et une sortie.
Le réservoir du bulleur 3 en forme de cylindre s’insère dans le réservoir de thermorégulation 6 dans lequel circule l’eau de thermorégulation 7. L’eau de thermorégulation 7 est en circuit fermé, elle ne peut en aucun cas se trouver dans le réservoir bulleur 3.
Cette eau de thermorégulation 7 circule également dans un tube coaxial 9 au tube transportant l’hydrogène entre le bulleur et le compresseur 18.
Selon une autre variante, le compresseur 18 est un appareil requérant un gaz à saturation d’humidité.
Lors du fonctionnement, le gaz non saturé en humidité, provenant de l’électrolyseur entre dans le réservoir du bulleur 3 et passe au travers de la première matrice poreuse 4 elle-même placée dans le volume d’eau 5. La première matrice poreuse 4 est située au niveau du fond du réservoir bulleur 3 à proximité de l’entrée du réservoir de thermorégulation 6.
Le gaz humidifié traverse une deuxième matrice poreuse 9 qui permet d’éviter toute remontée d’eau liquide et ne laissant passer que la phase gazeuse.
Une mesure de l’humidité est effectuée à l’aide d’un capteur de point de rosée 17, ce capteur permet de s’assurer que la teneur en humidité est bien comprise entre 70% et 99%.
A l’arrêt, une purge du volume d’eau restant 5 est fait par l’intermédiaire d’une première électrovanne 22, suivie d’un remplissage automatique à l’aide d’une seconde électrovanne 11 ; l’eau provenant d’un système de filtration 12. Ceci permet de rétablir une quantité d’eau suffisante pour la durée d’une session de fonctionnement. L’eau est injectée directement dans le bulleur à l’aide d’un tube 13 coaxial au tube 15 permettant la circulation du gaz. Un clapet antiretour 16 protège le système de filtration 12 de la pression du gaz lors de la remise en marche du système. Lors du remplissage, le capteur de pression 14 permet une gestion de la quantité d’eau injectée. En effet, l’ajout d’eau dans le bulleur diminue le volume disponible pour le gaz, entrainant une hausse de la pression de celui-ci.
Des ailettes 27 sont placées autour du réservoir de thermorégulation, elles permettent de maximiser l’échange de chaleur avec l’air extérieur. Si nécessaire, un ventilateur 8 permet une meilleure circulation de l’air en contact avec les ailettes et un contrôle précis de la température de refroidissement. Une solution alternative consiste à remplacer ce système de thermorégulation intégré au bulleur par un système indépendant.
Selon un exemple de réalisation, la température du réservoir de thermorégulation est proche de la température du compresseur avec une différence comprise entre -1°C et -10°C.
Selon un autre exemple de réalisation, la température du réservoir de thermorégulation est identique à la température du compresseur.
Après passage dans le compresseur 18, le gaz est séché en deux étapes.
La première étape consiste à séparer la phase liquide de la phase gazeuse. Un tube en forme de T 19 traversé par un tube fin placé verticalement, va permettre une séparation des deux phases par gravité. La vitesse du fluide est suffisamment faible (environ 1cm/sec) pour que l’eau s’écoule et ne soit pas emportée par le gaz lors de sa remontée vers le tube en forme de T 19. L’eau liquide 20 est stockée dans un tube le temps de la session de fonctionnement. Cette eau est évacuée en même temps que l’eau du bulleur à la fin de la session à l’aide de la première électrovanne 22. Avant cela, une détente est effectuée à l’aide d’un détendeur 21. Cette détente permet d’égaliser les pressions de sortie du sécheur et du bulleur et évite une purge à plus de 300bar, ce qui poserait un risque de sécurité pour l’utilisateur, ainsi que des altérations sur les équipements fonctionnant à basse pression 1 et 3.
L’un des avantages de séparer le condensat 20 (eau liquide) du réservoir de dessicant 24 à l’aide d’un clapet antiretour 23 est qu’il n’est plus nécessaire de purger l’ensemble du réservoir à la fin de chaque cycle. C’est uniquement la partie condensat qui est purgée. Le gain réalisé est significatif. Par exemple, avec un réservoir de dessicant de 1L, et une pression de fonctionnement de 400bar, ceci représente 400NL de pertes de gaz évitées soit environ une heure de fonctionnement à chaque cycle par rapport à une solution mélangeant condensat et dessicant.
Une fois séparé de la phase liquide, le gaz hydrogène est conduit dans le fond d’un réservoir de dessicant 24. Lors de sa remontée vers la sortie au niveau du goulot du réservoir de dessicant 24, l’humidité sous forme de vapeur contenue dans le gaz est absorbée pas les billes de dessicant. L’efficacité de cette absorption est assurée jusqu’à saturation totale de la capacité du dessicant. Un fois saturé, le dessicant est remplacé ou régénéré. Le volume du réservoir conditionne la quantité de dessicant et donc la périodicité de maintenance. Par exemple, pour répondre au besoin de traitement d’un gaz dont le débit est de 5000NL/jour, un réservoir de 1L de contenance de dessicant est suffisant pour espacer les périodes de maintenance d’un an.
Le gaz sec est stocké dans un réservoir 26 pressurisé. Ce gaz est par la suite consommé au travers d’applications diverses. Selon une autre variante, le réservoir 26 est un appareil ou une capacité requérant un gaz à très faible teneur en humidité. Le capteur de point de rosée 25 permet de contrôler le taux d’humidité résiduelle dans le flux de gaz sortant. Selon l’objectif, par exemple de 5ppm, un dépassement de cette valeur initiera une alerte pour le remplacement du dessicant.
La montre les étapes du procédé de régulation de l’humidité relative d’un gaz, objet de la présente invention.
Une première étape 101 de régulation de l’humidité d’un gaz entrant dans un bulleur B, ledit bulleur B est contenu dans un réservoir de thermorégulation 6 dans lequel circule une eau de thermorégulation 7 en circuit fermé. Le gaz humidifié sort du bulleur B pour arriver à un compresseur 18. La pompe de circulation d’eau 2 sert à faire circuler autour du bulleur B une eau qui possède une certaine température et qui évite l’échauffement de l’ensemble.
Une deuxième étape 102 de séchage du gaz issu de la première étape, ledit séchage sépare la phase liquide du gaz de la phase gazeuse par un tube en forme de T comportant une entrée et deux sorties, l’une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s’écouler la phase liquide du gaz, l’autre sortie est reliée au niveau du fond d’un réservoir de dessicant 24 ; en sortie du réservoir de dessicant le gaz séché est stocké vers un réservoir 26.
Une troisième étape 103 de mise à l’arrêt pour purger le volume d’eau 5 du bulleur et le condensat du sécheur 20 puis le remplissage d’un nouveau volume d’eau 5.
Références Désignations
1 Électrolyseur
2 Pompe de circulation
3 Réservoir du bulleur
4 Première matrice poreuse
5 Eau
6 Réservoir de thermorégulation
7 Eau de thermorégulation
8 Ventilateur
9 Deuxième matrice poreuse
10 Tube coaxial contenant l’eau de thermorégulation
11 Seconde électrovanne
12 Filtre à eau
13 Tube de remplissage d’eau
14 Capteur de température
15 Tube hydrogène
16 Clapet antiretour
17 Capteur de point de rosée
18 Compresseur
19 Tube en forme de T
20 Condensat
21 Détendeur
22 Première électrovanne
23 Clapet antiretour
24 Réservoir de dessicant
25 Capteur de point de rosée
26 Réservoir
27 Ailettes
B Partie bulleur
S Partie sécheur

Claims (10)

  1. Procédé de régulation de l’humidité d’un gaz, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
    - une première étape (101) de régulation de l’humidité d’un gaz entrant dans un bulleur (B) à un débit compris entre 200 NL/h et 2000NL/h et l’humidité relative du gaz entrant dans le compresseur est comprise entre 70% et 99%, ledit bulleur (B) comprend les éléments suivants :
    - un réservoir du bulleur (3) comportant une entrée et une sortie,
    - un réservoir de thermorégulation (6) qui entoure ledit réservoir du bulleur (3),
    - un volume d’eau de thermorégulation (7) contenu dans ledit réservoir de thermorégulation (6),
    - une pompe de circulation (2) d’eau de thermorégulation (7) ;
    - ledit réservoir du bulleur (3) comporte une première matrice poreuse (4) située au niveau du fond du réservoir du bulleur (3) à proximité de l’entrée ;
    le gaz entrant dans le bulleur (B) par l’entrée du réservoir du bulleur (3) passe au travers de la première matrice poreuse (4) positionnée dans un volume d’eau (5) contenu dans le réservoir bulleur (3), le gaz humidifié sort par la sortie du réservoir du bulleur (3) et circule vers un compresseur (18) ; le volume d’eau de thermorégulation (7) circule dans un circuit fermé passant par le réservoir de thermorégulation(6), la pompe de circulation (2) et le compresseur (18) ;
    - une deuxième étape (102) de séchage du gaz issu de la première étape, le gaz sortant du compresseur (18) passe par un tube en forme de T (19) comportant une entrée et deux sorties, l’une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s’écouler la phase liquide du gaz créant un condensat (20), l’autre sortie est reliée au niveau du fond d’un réservoir de dessicant (24) ; en sortie du réservoir de dessicant (24) le gaz séché est stocké vers un réservoir (11) et comporte une humidité inférieure à un seuil prédéterminé.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape le gaz entrant est issu d’un électrolyseur (1) et comporte une humidité relative inférieure à 50%.
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape, la température de l’eau de thermorégulation (7) est assurée par un élément de thermorégulation.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’élément de thermorégulation de la première étape comporte des ailettes (27) placées autour du réservoir de thermorégulation (6).
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’élément de thermorégulation de la première étape comporte un ventilateur (8) configuré pour assurer la circulation de l’air en contact avec les ailettes (27).
  6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape, une deuxième matrice poreuse (9) est située en partie haute du réservoir du bulleur (3) à proximité de la sortie du réservoir du bulleur (3), le gaz humidifié traverse la deuxième matrice poreuse (9) avant de sortir du réservoir du bulleur (3).
  7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape l’humidité relative du gaz entrant dans le compresseur est comprise entre 95% et 99%.
  8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit procédé comporte une troisième étape (103) de mise à l’arrêt pour purger le volume d’eau (5) contenu dans le réservoir bulleur (3) puis le remplit d’un nouveau volume d’eau.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel lors de la troisième étape (103) de mise à l’arrêt, le condensat (20) contenu dans l’une des sorties du tube en forme de T (19) est purgé.
  10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lorsque le taux d’humidité du gaz est supérieur au seuil prédéterminé, de préférence lorsqu’il dépasse le seuil de 5 ppm, ledit procédé comporte une étape d’alerte visuelle, sonore ou par un terminal indiquant la nécessité de remplacement du dessicant.
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CN112713288A (zh) 2021-02-03 2021-04-27 电子科技大学 一种燃料电池鼓泡加湿器控制系统及控制方法

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