Brevet FR2511885A1 — publié le 19830304

Ld prébente invention concerne un prucéde du J séparation de vapeur d'électrolyte d'un courant de gaz contenant de la vapeur d'eau dans unt pile à combustiblu. Au cours du fonctionnement d'une pile à comlnbusti- ble, de l'air o un autre oxydant est pompé en grand volume au-delà du côté cathode de la pile à combustible. En passant la cathode, la quantité d'oxygène (dans le cas de l'air) s'appauvrit et de la vapeur d'eau est absorbée par l'air appauvri en oxygène et est éloignée de la cathode sous forme gaz expulsé Une quantité substantielle de la vapeur d'électrolyte est également entraînée hors de la pile à combustible en cet endroitensemble avec ces gaz, à cause des températures élevées de fonctionnement de la pile à combustible qui tendent à provoquer l'évaporation de l'électrolyte Par exemple, les piles à combustible typiquement fonctionnent à 204 C en produisant des vapeurs d'acide phosphorique Un fonctionnement efficace de la pile à combustible impose que la vapeur d'eau soit récupérée, par exemple pour la réaction dans un dispositif de reforma- ge de la vapeur Cependant, en plus;ce l'eau contenant de l'acide phosphorique est inutilisable dans des buts de reformage de b vapeur, elle est également hautement corrosive pour tout système de condensation de l'eau. Des échangeurs de chaleur compliqués de granc volulmus ont été utilisés pour liquéfier les mélanges de gaz qui sont ensuite ultérieurement séparés en leur; constituants Voir les brevets US Nos 3 511 715 et 3 222 223 Un autre procédé habituel est l'utilisation de condenseurs d'eau, la vapeur d'électrolyte étant condensée et séparée ultérieurement Voir par exemple, les brevets US Nos 4037 024 et 4 040 435 D'autres tentatives de séparation des acides des courants gazeux ont comporté l'utilisation des dispositifs éliminateurs de brouillard iiabitue (voir le brevet US NO 3 948 624) et l'utilisation d'un courant fluide (voir le brevet US No 3 865 929). Par conséquent, un système pour enlever et récupérer l'électrolyte d'un tel courant gazeux qui est relativement simple et efficace serait hautement souhaitable 4 u dans la technique. -2- La présente iinventhr J uh Cerne u pl; ucdé ptur enlever l'électrolyte d'un courant de gaz d'une pile a colimbustible Le courant de gaz contenant l'électrolyte est d'abord refroidi jusqu'à une tempérdture inférieure à la température d'évaporation d'électrolyte, et passe ensuite sur un condenseur non refroidi passif a aire de surface élevée Les surfaces de condensatior sont disposées à 11 i Lcr de façon/ une aire de surface suffisante, ui, durée de séjour suffisante et une distance de diffusion moléculaire suffisamment petite pour permettre l'agglomération et la condensation de l'électrolyte, sans condenser d'autres constituants du courant gazeux telsque l'eau. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: les figures 1 et 2 montrent des systèmes typiques selon la présente invention. Les figures 3 a, 3 b et 3 c représentent des exemples d'éléments de condensation utiles pour la présente invention. La première étape du procédé selon la présente invention consiste à refroidir la vapeur d'électrolyte. On refroidi la vapeur d'électrolyte initiallement jusqu'à une température inférieure à sa température d'évaporation qui peut être déterminée à partir a'un diagramme de phase liquide-gaz pour l'électrolyte particulier. Par exemple pour un électrolyte d'acide phosphorique, on a déterminé qu'un refroidissement de l'air s'échappant de la pile à combustible jusqu'à environ 127 C était i suffisant pour provoquer la condensation sur les plaques de condensation passives de plus de 901 de l'acide dans le gaz Bien que tout échangeur de chaleur habituel qui résiste à la corrosion dans le système (figure 1) puisse être utilisé pour cette étape de refroidissement, un dispositif de refroidissement par pulvérisation (figure 2) ou un sac de refroidissement en plastique peut également être utilisé Moins d'énergie (jusqu'à 900 moins) est utilisée au cours de cette étape que lors d'une condensation habite/een utilisant des échangeurs de chaleur, 4 'U étant donné que le refroidissement et non pas la condensa- 251 1885 tion est lu but En utilisant des buses de pulverisa Lion habituelle, ( 21 dans la figure 2), soit un gaz de refroidls- sement tel que de l'air soit un liquide de refroidissement vaporisable tel que l'eau peuvent être injectés dans le courant gazeux. Le courant de gaz ainsi refroidi est ensuite passé sur un conden Lur à grande airude surface. Le condenseur est un condenseur passif c'est-à-dire non refroidi qui fournit la surface pour l'aqgjomération et la condensation des molécules d'électrolyte refroidies. Les surices de condensation ont une dimension telle et sont écartées l'une de l'autre de telle façon qu'elle cr&ntune aire de surface suffisante, une durée de séjour suffisante et une distance de diffusion moléculaire suffisamment petite pour permettre l'agglomération et la condensation de l'électrolyte sans condenser d'autres constituents du courant gazeux tel que l'eau Le courant gazeux poursuit son mouvement et l'électrolyte est enlevé par drainage du liquide concentré depuis la chambre de condensation Après que l'acide ait été enlevée, la chaleur et la vapeur d'eau sont extraits du gaz résiduel en faisant passer lu gaz traité sur des tubes de conden- sation habituels. Les avantages de ce système par rapport aux autres techniques d'élimination de l'acide telsque l'élimi- nation chimique à sec et les dispositifs d'épuration lhabituels des acides par barbotage sont la dimension réduite, les dépenses réduites y compris les dépenses pour le fonctionnement, et un entretien réduit Ceci est le résultat direct de l'utilisation d'un condenseur passif pour l'étape critique et le haut rendement de ce procédé pour enlever environ 90 % 99 % de l'acide du courant de gaz Un autre avantage du système selon s 35 la présente invention est sa simplicité en /,ijeant aucun joint critique et une très faible chut de pression. La faible chute de pression est le résultat de la disposi- tion et du désign des plaques de condensation de façon à produire un coarant laminaire non turbulent Les 4 u plaques pdrallèles représentées dans les figures dé 6 montrent -4- un arrangement qui créerait Un tel courant Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, des plaques sont préférées, cependant on peut également utiliser d'autres formes. Du S Bien que la présente invention à princip Ilement étée décrite pour la séparation de l'acide phosphlorique o d'autres électrolytes d'un courant gazeux, toute matière condensable peut être séparée du courant gazeux par le système selon l'invention Ce système a également une utilité particulière pour les grands systèmes à carbonate n' en fusion pour lesquels/existent habituellement pas de bons dispositifs d'épuration chimique. Exemple Dans un système de pile à combustible conçu pour fournir 40 kw d'énergie continuellement durant au moins 20 000 heures, on produit 225 kg/hr de gaz d'échappe- ment à la cathode Un condenseur de vapeur d'électrolyte selon la présente invention comprenant 14 échangeurs de chlaleur refroidis à l'eau, en acier inoxydable, enduits de Teflon et 50 condenseurs passifs à particules de carbone moulé, tous les deux ayant des dimensions de 30,5 cm x 12,7 cm était réalisé comme il est décrit dans la figure 1 Les condenseurs avaient environ 0,5 cm d'écartement entre chaque plaque, et les plaques d'échanges de chaleur avaient environ 1,27 cm d'écartement entre chaque plaque Le gaz d'échappement de la cathode sortant de la pile à combustible à une température d'environ 193 C était amené dans le condenseur d'électrolyte Le gaz contenait environ 1,5 x -3 kg/hlr d'acide phosphorique et en sortant du condenseur 3 u d'électrolyte, sensiblement la totalité d'acide phosphori- que a été élimin Cette élimination a été qualitative- i:,ent mesurée en Disposant des tiges de borosilicate un amont et en aval des surfaces de condensation passives, et en observant des tiges sévèrement corrodées en amont 3 J alors que celles en aval n'avaient pas l'air touchéQ; Dans la figure 1, le symbole de référence i représente l'enceinte entourant le condenseur et l'e- ch Iangeur de chaleur qui est généralement en une matière résista à l'acide te 1 ique de l'acier inoxydable 4 () enduit de Tleflon Le gaz d'échappement de la cathode pénète en 2 et est ilitiale'llnt rtfroiui par l'uclaiigeur de cnaleur 3 réalisé, dans le présent cas,en une série de plaques 4 en acier lnoxydable enduis-de Teflonij raccorda S l'entrée de liquide de refroidissement 5 et la sortie 6 Après avoir passé l'échangeur de chaleur le gaz d'échappement de la cathode ainsi refroidi passe sur des plaques 7 de condenseur passif o les gouttelettes 8 d'acide se folrtntet tiabntau fond de la chambre 1 La chambre possède un plancher 9 en pente qui permet l'accumulation de l'acide 10 et la formation finale d'une mare 11 d'acide (montréedans la figure 2) qui peut être aspirée par le conduit 12 Les plaques 7 de condensa- tion passives peuvent être en toute matière résistante à l'acide tell-ue des plaques de graphite moule Qes plaques de Teflon peuvent également être utilisées En outre, les tubes montrés dans la figure 3 peuvent être utilises empilés vertica ement, c'est-à-dire permettant le passage du gaz dans la même direction que les plaques des figures 1 et 2 Ce système fonctionne à pression atmosphérique, bien qu'il puisse fonctionner à des pressions plus élevées ou plus basses avec des modifica- tbns correspondantes dû jradients de température, écoulement de gaz, etc. La figure 2 représente un système similaire avec toutes les caractéristiques définies dans la figure 1, à l'exception de l'utilisation de buses de pulvérisa- tion 21 au lieu de l'échangeur de chaleur 3 de la figure 1. T'out fluiue de refroidissement non réactif avec l'élec- trolyte peut être forcé à travers des buses de pulvérisa- tion 21, par exemple de l'air ou l'eau ou un gaz inerte. La volatilisation des fluides, te sque l'eau, aide éga- lement au refroidissement Dans les deux figures, le symbole de référence 13 représente le conduit de sortie du condenseur d'électrolyte lorsque le gaz traité est soumis à des condenseurs habituels pour extraire la cnaleur et l'eau. Les figures 3 A, 3 B et 3 C montrent divers types de condenseurs qui peuvent être utilisés dans la présente invention La figure 3 représente un condenseur du type à ci Jceu; la figure 31 B mnontru un cundei seur tubulaire contteinanl un taimis-cliicane lu pforeux; et la figure 3 C montru Uni counuenseur tubulaire 3 Ainsl qu'on l'a nmuitre D ci-dessus, en plus des économies d'é 1 er-gie créés par ces con(denseurs passifs, l'utilisation de ce système crée une faible chute de pression, réduisant également au minimum les exigences d'énergie du système. D'autres nouveaux aspects de la présenteinven- Iu tion comprennent la séparation de la fonction de transfert de chaleur de la fonction de transfert de la masse Un condenseur d'acide doit être un dispositif de transfert de ass efficace à cause de la faible concentra- tion de vapeur d'acide dans le courant Ceci exige de faibles passages d'écoulement et une aire de surface élevée o une durée de résidence longue pour l'aggloméra- tion des gouttelettes En même temps, le transfert thermi- que exigé est faible et peut être satisfait en dépensant assez peu d'énergie La beauté du système selon la présente invention es, qu'un petit échangeur de chaleur relativement inefficace puut être utilisé pour refroidir la vapeur suivi par un condenseur isothermique compact et de courtes distances de diffusion En fournissant l'airede surface adéquate, la dimension générale (et le prix) d'un tel systé- me ensemble avec les dispositions réduites des surfaces de transfert de chaleur pour condenser l'acide représente un progrès certain dans la technique Ce condenseur, donc, n'est pas similaire à un échangeur de chaleur habituel, nimais fournit simplement le mécanisme pour une vaoeur déjà refroidis afin de condenser par condensation peiculairepar opposition à une nucleation des gouttelettes. Bien entendu diverses modifications peuvent être utilisées par l'homme de l'art au procédé qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif j' sans sortir du cadre de l'invention. 1 1885 -7- Revendications: 1 Procédé de séparation de vapeur d'électrolyte: d'un courant gazeux contenant de la vapeur d'eau dans une pile à combustible, caractérisée en ce qu'il consiste à refroidir le courant gazeux contenant la vapeur d'électroly- te jusqu'à une température inférieure à sa température d'évaporation nais supérieure à la température d'évaporation de l'eau, à mettre en contact le cou rant gazeux ainsi refroi- di avec un condenseur passif à airede surface élevée pour condenser la vapeur d'électrolyte et éliminer l'électro- lyte liquide concentré condensé du courant gazeux. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant gazeux est refroidi au moyen d'un échangeur de chaleur. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant gazeux est refroidi par injection d'un fluide de refroidissement. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide est de l'eau ou de l'air. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'électrolyte est de l'acide phosphorique. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrolyte est un sel de carbonate. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que le condenseur passif est constitué par une pluralité de plaques, parallèles légèrement écartées. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les plaques sont en carbone.