Brevet FR2791659A1 — publié le 20001006

L'invention concerne un procédé et une installa- tion permettant de générer de l'oxygène pur à plus de 99,5%. Il existe actuellement de nombreux types de procé- dés et d'installations pour générer de l'oxygène, mais la génération d'oxygène de grande pureté présente des difficul- tés ou des inconvénients auxquels il n'a pas été remédié, comme on le verra dans les exemples qui suivent. La mise en oeuvre d'un tamis moléculaire ne permet pas d'atteindre de manière économique des taux de pureté su- lO périeurs à 93%, la dépense énergétique étant d'autant plus importante que la pureté désirée est élevée; ainsi, une pu- reté de 99,5 % exige une dépense énergétique rédhibitoire. La fabrication par cryogénie est complexe, et les installations de fabrication par cryogénie peuvent diffici- lement être rendues mobiles. La fabrication par électrolyse, qui apparaît inté- ressante, nécessite une relativement grande dépense d'énergie, et de disposer d'eau pure; de plus, se pose le problème de l'évacuation de l'hydrogène formé. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cette fin un procédé de génération d'oxygène, caractérisé en ce que l'on introduit dans une pile à combus- tible de l'air et de l'hydrogène, on évacue de la pile à combustible de l'eau que l'on introduit dans un électroly- seur tandis que l'on transmet de l'énergie électrique pro- duite par la pile à un dispositif d'alimentation en énergie de l'électrolyseur, et on évacue de l'électrolyseur d'une part de l'oxygène que l'on emmagasine ou que l'on dirige vers un lieu d'utilisation, et d'autre part de l'hydrogène que l'on introduit dans la pile, afin qu'en régime permanent de génération d'oxygène, cette génération d'oxygène néces- site en plus de l'air que l'on introduit dans la pile, seu- lement un apport d'énergie extérieure réduit à l'électrolyseur. Elle concerne également une installation de géné- ration d'oxygène, caractérisée en ce qu'elle comporte une 2 2791659 pile à combustible présentant une entrée d'air, une entrée d'hydrogène, une sortie, et des moyens de sortie d'énergie électrique produite, et un électrolyseur présentant une en- trée d'eau, une sortie d'oxygène, une sortie d'hydrogène, et des moyens d'entrée d'énergie électrique d'alimentation, et en ce que la sortie de la pile est reliée à l'entrée d'eau de l'électrolyseur, la sortie d'hydrogène de l'électrolyseur est reliée à l'entrée d'hydrogène de la pile, et les moyens de sortie d'énergie électrique produite par la pile sont re- liés à une entrée d'un dispositif d'alimentation en énergie comportant une sortie reliée au moyen d'entrée d'énergie de l'électrolyseur et une autre entrée reliée à une source d'énergie, afin qu'en fonctionnement permanent l'installation nécessite, pour générer de l'oxygène, en plus de l'air alimentant la pile, seulement une quantité d'énergie apportée de l'extérieur réduite. Grâce à la mise en oeuvre, avec un électrolyseur, d'une pile à combustible, - on brûle de manière utile l'hydrogène produit par l'électrolyseur, et ainsi il n'est pas nécessaire d'évacuer cet hydrogène de l'installation et de le brûler en pure perte, - on renouvelle théoriquement la totalité de l'eau électrolysée, - on récupère en sortie de pile 20% à 50% de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'électrolyseur (typiquement, environ 30%), - le fonctionnement est peu bruyant, - l'installation est peu encombrante et transpor- table, - on peut obtenir de l'oxygène de haute pureté et dans une gamme de pressions désirée, par le choix d'un élec- trolyseur approprié. Le procédé peut de plus présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: 3 2791659 - on évacue de l'air et de l'eau de la pile, et après avoir séparé l'eau de l'air on transmet au moins une partie de cette eau à l'électrolyseur, tandis qu'on évacue l'air à l'extérieur; - on pompe l'eau provenant de la pile pour l'introduire dans l'électrolyseur; - on abaisse la pression de l'hydrogène que l'on transmet de l'électrolyseur à la pile. L'installation peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la sortie de la pile est reliée à l'entrée d'eau de l'électrolyseur par un dispositif de liaison comprenant un séparateur eau/air; - la sortie de la pile est reliée à l'entrée d'eau de l'électrolyseur par un dispositif de liaison comprenant une pompe à eau; - la sortie d'hydrogène de l'électrolyseur est re- liée à l'entrée d'hydrogène de la pile par un dispositif de liaison comprenant un détendeur. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description qui va suivre d'un mode et d'une forme de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif et illustrés par le dessin joint qui est une représentation schématique d'une installation pour la mise en oeuvre de l'invention. Selon l'invention, et comme représenté sur la fi- gure, on produit de l'oxygène ici à haute pression à partir d'air, par exemple de l'air atmosphérique, au moyen d'une pile à combustible du type air/hydrogène et d'un électroly- seur haute-pression mis en oeuvre en association. Plus précisément, l'installation comporte d'une part une pile à combustible 1 présentant une entrée d'air 11, une entrée d'hydrogène 12, et une sortie 13 par laquelle est évacué de la pile l'air en excès, saturé d'eau et conte- nant de plus des gouttelettes d'eau en suspension, et 4 2791659 d'autre part un électrolyseur 2 présentant une entrée d'eau 21, une sortie d'oxygène 22, et une sortie d'hydrogène 23. La pile 1, produisant bien entendu de l'énergie électrique, comporte de plus des moyens, par exemple des bornes 14, de sortie d'énergie sous une tension électrique continue. L'électrolyseur 2, auquel doit être fournie une énergie électrique d'alimentation, comporte des moyens, par exemple des bornes 24, d'entrée d'énergie sous une tension électrique continue. L'entrée d'air 11 de la pile est reliée à une source d'alimentation en air, et la sortie d'oxygène 22 de l'électrolyseur est reliée à un dispositif de stockage ou un dispositif utilisateur d'oxygène (non représentés). Par ailleurs, la sortie 13 de la pile est reliée comme on le verra dans la suite à l'entrée d'eau 21 de l'électrolyseur; ainsi, l'électrolyse de l'eau pure pro- duite par la pile à combustible, fournit un hydrogène et un oxygène pouvant être très purs, en fonction du type d'électrolyseur mis en oeuvre. En outre, la sortie d'hydrogène 23 de l'électrolyseur est reliée à l'entrée d'hydrogène 12 de la pile, afin, lors du fonctionnement permanent de l'installation, de faire fonctionner la pile sans apport d'hydrogène provenant de l'extérieur. Afin d'introduire dans la pile l'hydrogène à basse pression qui est nécessaire pour son fonctionnement, dans le cas o l'électrolyseur est du type haute pression, le dispositif de liaison 3 reliant l'entrée d'hydrogène 12 de la pile à la sortie d'hydrogène 23 de l'électrolyseur comporte un détendeur 31 destiné à abaisser la pression de l'hydrogène sortant de l'électrolyseur. Si, en vue de produire de l'oxygène à basse pression, l'électrolyseur est du type basse pression, la liaison entre l'entrée d'hydrogène 12 de la pile et la sor- tie d'hydrogène 23 de l'électrolyseur peut être assurée di- rectement par une simple canalisation. 2791659 De plus, les bornes de sortie d'énergie électrique 14 de la pile sont reliées à une entrée d'énergie électrique 41 d'un dispositif utilisateur qui n'est autre selon l'invention, que le dispositif d'alimentation en énergie 4 de l'électrolyseur, dont une sortie d'énergie électrique 42 est reliée aux bornes d'entrée d'énergie 24 de l'électrolyseur, et dont une autre entrée 43 est reliée à une source d'énergie. Ainsi, lors du fonctionnement perma- nent de l'installation, après le démarrage de l'électrolyseur, la quantité d'énergie à apporter de l'extérieur est réduite. La sortie 13 de la pile et l'entrée d'eau 21 de l'électrolyseur sont reliées par un dispositif de liaison 5 comprenant un séparateur eau/air 51 par lequel on extrait l'eau de l'air en excès dans la pile sortant de celle-ci par cette sortie 13, et on évacue cet air à l'extérieur, afin qu'il ne soit pas introduit dans l'électrolyseur, et une pompe à eau 52 dirigeant l'eau sortant du séparateur 51 vers l'électrolyseur 2. Pour générer l'oxygène au moyen de cette installa- tion, on introduit dans la pile à combustible 1 de l'air, par exemple de l'air atmosphérique, et l'hydrogène provenant de l'électrolyseur, et on en évacue l'air en excès et l'eau générée que l'on sépare de l'air et que l'on introduit dans l'électrolyseur 2 tandis que l'on transmet au moins une par- tie et de préférence la totalité de l'énergie électrique produite par la pile au dispositif d'alimentation en énergie 4 de l'électrolyseur. On évacue de l'électrolyseur 2, l'oxygène généré par celui-ci, que l'on emmagasine ou que l'on dirige vers son lieu d'utilisation, et on réintroduit de l'hydrogène généré, dans la pile 1. Ainsi, en régime per- manent, pour générer l'oxygène, on n'a pas à introduire d'hydrogène extérieur dans l'installation, et on apporte une énergie électrique réduite au dispositif d'alimentation 4 de l'électrolyseur. 6 2791659 REVENDICATIONS 1. Procédé de génération d'oxygène, caractérisé en ce que l'on introduit dans une pile à combustible (1) de l'air et de l'hydrogène, on évacue de la pile à combustible de l'eau que l'on introduit dans un électrolyseur (2) tandis que l'on transmet de l'énergie électrique produite par la pile à un dispositif d'alimentation en énergie (4) de l'électrolyseur, et on évacue de l'électrolyseur (2) d'une part de l'oxygène que l'on emmagasine ou que l'on dirige vers un lieu d'utilisation, et d'autre part de l'hydrogène que l'on introduit dans la pile (1), afin qu'en régime per- manent de génération d'oxygène, cette génération d'oxygène nécessite en plus de l'air que l'on introduit dans la pile, seulement un apport d'énergie extérieure réduit à l'électrolyseur (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on évacue de l'air et de l'eau de la pile (1), et après avoir séparé l'eau de l'air on transmet au moins une partie de cette eau à l'électrolyseur (2), tandis qu'on éva- cue l'air à l'extérieur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on pompe l'eau provenant de la pile (1) pour l'introduire dans l'électrolyseur (2). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on abaisse la pression de l'hydrogène que l'on trans- met de l'électrolyseur (2) à la pile (1). 5. Installation de génération d'oxygène, caractérisée en ce qu'elle comporte une pile à combustible (1) présentant une entrée d'air (11), une entrée d'hydrogène (12), une sor- tie (13), et des moyens de sortie d'énergie électrique (14) produite, et un électrolyseur (2) présentant une entrée d'eau (21), une sortie d'oxygène (22), une sortie d'hydrogène (23), et des moyens d'entrée d'énergie électri- que (24) d'alimentation, et en ce que la sortie (13) de la pile est reliée à l'entrée d'eau (21) de l'électrolyseur, la sortie d'hydrogène (23) de l'électrolyseur est reliée à 7 2791659 l'entrée d'hydrogène (12) de la pile, et les moyens de sor- tie d'énergie électrique (14) produite par la pile sont re- liés à une entrée (41) d'un dispositif d'alimentation (4) en énergie comportant une sortie (42) reliée au moyen d'entrée d'énergie (24) de l'électrolyseur et une autre entrée (43) reliée à une source d'énergie, afin qu'en fonctionnement permanent l'installation nécessite, pour générer de l'oxygène, en plus de l'air alimentant la pile (1), seule- ment une quantité d'énergie apportée de l'extérieur réduite. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la sortie (13) de la pile est reliée à l'entrée d'eau (21) de l'électrolyseur par un dispositif de liaison (5) comprenant un séparateur eau/air (51). 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la sortie (13) de la pile est reliée à l'entrée d'eau (21) de l'électrolyseur par un dispositif de liaison (5) comprenant une pompe à eau (52). 8. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la sortie d'hydrogène de l'électrolyseur est re- liée à l'entrée d'hydrogène de la pile par un dispositif de liaison (3) comprenant un détendeur (31).