Brevet FR2839713A1 — publié le 20031121

type - 1 - La presente invention concerne un dispositif pour la production cles gaz separes, en particulier dans la production dthydrogene et d'oxygene par dissociation thermique d'eau. Les sources d'energie fossiles vent limitees. La production mondiale de petrole fera une pointe un moment entre 2004 et 2008 et elle diminuera ensuite pour n' encore augmenter jamais (K.S. Deffoys, 2001). Le petrole est une matiere brute precieuse, qui devrait etre employee pour des lubrifiants et la fabrication d'autres produits. Aujourd'hui et dans les annees a venir 85 de tout petrole extrait est. brule, soit dans les moteurs de differents types soit pour le chauffage domestique et industrial. Meme si cette prevision de delai est erronee de quelques annees, la disparition du petrole et d'autres sources fossiles d'energie est un fait etabli. L' invention aide a remplacer le petrole comme source d'energie. Les emissions des gaz toxiques ou hasardeux a l'environnement seront des problemes fortement croissants si on continue de bruler le petrole. L' invention revendique de reduire rigoureusement de telles emissions ou meme de les eliminer. : de la surface de notre planete est couvert par lteau et est ainsi un enorme reservoir d'hydrogene. L'utilisation de ltenergie inherente dans lthydrogene n'a pas ete exploitee economiquement. I,a presente invention revendique avoir trouve une maniere d'extraire l' hydrogene de l' eau en utilisant plusieurs sciences. Actuellement il n'existe aucune solution praticable de la production d'hydrogene adaptee aux besoins de petite consomrnateurs, specifiquement dans des vehicules de transports (voitures, camions ou bus actionnes par des piles a combustible). Dans ce secteur la consornmation d'hydrogene steleve de 53 a 4QO litres de gaz (a 20 C et L bar) par kilometre parcouru. L' invention ouvre la porte a la construction des petites stations de production d'hydrogene gable, compact et mobile. - 2 L'objet de la presente invention est de permettre le controle de la production d'un melange de gaz et de la separation des gaz dans un melange de gaz, en particulier si le melange de gaz est du vapeur d'eau. L' invention est basee sur plusieurs fan's connus. Le premier est que l'efficacite du transfert thermique veers un objet liquide est lie a la relation de sa surface S en contact avec la source de chaleur a son volume V. Quand le liquide est. tenu dans un recipient et la chaleur est fournie par un chauffage dans l'interieur du recipient, la relation S/V est. atteindre un rapport relatif de plus de 200. En brulant un combustible l' invention emploie des phenomenes thermodynamique que certaines reactions d'oxydation degagent des energies elevees, permettant d'atteindre des temperatures excedant 2000 K. A de telles temperatures les molecules dans le gaz vent partiellement dissociees. Le degre de dissociation depend de la temperature atteinte. iLernFergatur-e--( K)-ll-000&T-1500- --2000&1-2-500 T30-00&|350-0N degre de i 095 09o 0,7: 5,9% 24,6-c 62,4i Ldlssoclatlon I I I Tableau l: Exemple du degre de dissociation (approximatif) des molecules d'eau en pour cent de la masse totale a pression atmospherique. On separe des composants du gaz, p. ex lthydrogene et l'oxygene crees dans la dissociation de lteau. I.a separation est effectuee en utilisant des membranes ceramiques ou metalliques pour separer les molecules de gaz par tamisage moleculaire ou par transport ionique, des arrangements de separation au moyen de tuyeres, ou tous les autres moyens physiques ou chimiques. i - 3 - Les quantites des gaz extraits vent liees a leur presence stchiometrique dans le gaz QU le liquide initial. Pour l' extraction d'hydrogene et d'oxygene a partir d'eau (H2O), on extraira deux parts (en nombre de molecules) d'hydrogene (H2) et un part d'oxygene (02). Les gaz extraits vent diriges soit vers des utilisateurs externes soit vers une utilisation dans le dispositif lui-meme. L'hydrogene par exemple peut etre employe dans des piles a combustible et l'oxygene peut etre repris employe dans le brOleur pour atteindre les temperatures elevees. Les gaz produits aussi bien que le gaz d'echappement du creuset passent par des echangeurs de chaleur. La chaleur peut etre employee pour prechauffer l'eau ou pour ntimporte quel autre but. Le gaz d'echappement peut egalement servir a atteindre des objectifs supplementaires. Des materiaux inertes recemment developpes et resistants a hautes temperatures vent employee. L' evolution de tels materiaux est prometteuse pour de futures ameliorations de l' invention. Une mode de realisation de l' invention peut etre la separation dthydrogene et oxygene a partir d'eau Liquide. Le recipient (reacteur) est en matiere resistant a la chaleur. A l'interieur du reacteur vent montes un ou plusieurs creusets. A l'interieur du creuset vent brules de l' acetylene (C2H2) avec de l'oxygene. Pour le demarrage de l'appareil on utilise soit l'oxygene de l'air soit l'oxygene d'un recipient de stockage. Quand la machine marche, la production d'oxygene sera suffisante pour soutenir la combustion d' acetylene. La temperature peut atteindre 3000 K et plus. Des gicleurs montes dans les parois du reacteur injectent des petites gouttelettes d'eau. Une ou plusieurs gicleurs vent utilises pour fractionner le liquide en gouttelettes d'une taille dans l'ordre d'une micrometre avant exposition a la chaleur pour la conversion. L'eau evapore soit en traversant le gaz chaud dans le reacteur soit en contact avec la surface du creuset. La conversion du liquide en vapeur est effectuee par irradiation, convection et conduction. La vapeur est convertie en - 4 melange de gaz par dissociation thermique au moyen d' irradiation, de convection et de conduction. Le melange de gaz est encore chauffe par irradiation, convection et conduction, jusqu'a ce qu'un degre sonhaite de dissociation est atteint. Dans le reacteur l'equilibre thermique est atteint dans des temps tres courts, en dessous d'une milliseconde selon poissance des creusets et quantite de matiere totale dans le reacteur. Quelques parties des parois du reacteur vent faites des materiaux permeables pour les composants de gaz a extraire. La surface des parties est choisie selon permeabilite des materiaux afin d' assurer la relation entre les quantites extraites. Aujourdthui il y a des materiaux resistants aux temperatures elevees avec une permeabilite ou porosite pour des gaz. Par exemple des oxydes de certains metaux vent exploitee pour le transfert d'oxygene par le mecanisme chimique de transport d' ions. Des produits de zircon etaient deja utilises pour fabriquer des membranes poreuses aux molecules d'hydrogene. Les gicleurs injectent la quantite d'eau correspondante exactement aux quantites des gaz enleves. Deux ou plusieurs procedes de separation vent effectues en parallele, ayant pour resultat ['extraction simultanee de deux ou plusieurs gaz ou melanges distincts de gaz du melange initial de gaz. Deux ou plusieurs procedes de separation vent effectues en etapes consecutives, telles que deux ou plusieurs gaz ou melanges distincts de gaz vent extraits successivement du melange initial de gaz. A l'exterieur du reacteur les gaz restent mecaniquement separes dans des cavernes dessus les surfaces permeables. Ils vent diriges vers leur utilisation suivante par des systemes de tuyaux et eventuellement de pompes. Specifiquement l'oxygene sera comprime pour etre re-injecte dans le circuit d' acetylene. Les cavernes de gaz servent comme premiere isolation thermique. Le systeme complet du reacteur avec les cavernes de collection de gaz est dans un systeme de plusieurs couches d' isolation thermique comprenant d' isolation par vice (systeme bouteille thermos). - 5 - Les entrees pour le gaz de combustion et pour l'eau traversent les differents stages d' isolation et ils vent ainsi prechauffes. La Figure l montre le principe de fonctionnement comme decrit ci dessus, en particuliere les flux des gaz. Le volume d'un reacteur (l) comporte un creuset (2) et deux cavernes (3 et 4) pour assembler les gaz separes. Ils vent extraits a travers des membranes permeable quasi exclusivement pour oxygene (5) et pour hydrogene 16). L'eau est conduite par une ligne (7) vers le gicleur (8) a l'interieur du reacteur. Le bec (9) du creuset est alimente par une ligne de gaz combustible (lO), les gaz d'echappement sortent par des conduites (ll). Les gaz separes vent achemines dans des lignes de gaz. Une ligne (12) sert pour l'oxygene, qui sera ajoute au circuit de gaz combustible. L'autre ligne (13) conduira l'hydrogene vers sa destination. En employant les principes de la presente invention il est possible de realiser une unite mobile de production de gaz en petite taille, pour par exemple alimenter des piles a combustibles dans des voitures et des camions. Wile est egalement utile pour la production d'energie electrique pour un usage domestique et industrial. - 6 - REVENDICATIONS 1. Methode pour controler la production et la separation des gaz depuis de l'eau ou des solutions aqueuses, caracterise par la conversion controlde du liquide en vapeur, par le chauffage supplementaire de cette vapeur jusqu'a ce qu'un degre de dissociation employable du vapeur en melange de composants gazeux est atteint, et par la separation suivante des gaz de ce melange. 2. Methode selon la revendication l, caracterisee en ce que une ou plusieurs gicleurs vent utilises pour fractionner le liquide en gouttelettes d'une taille dans l'ordre d'une micrometre avant exposition a la chaleur pour la conversion. 3. Methode selon la revendication l, caracterisee en ce que la conversion du liquide en vapeur est effectuee par irradiation, convection et conduction. 4. Methode selon la revendication l, caracterisee en ce que la vapeur est convertie en melange de gaz par dissociation thermique au moyen d' irradiation, de convection et de conduction. 5. Methode selon les revendications 3 et 4, caracterise en ce que le melange de gaz est encore chauffe par irradiation, convection et conduction, jusqu'a ce qu'un degre souhaite de dissociation est atteint. 6. Methode selon les revendications l, 2, 3, 4 et 5, caracterise en ce qu'un ou plusieurs gaz ou melanges distincts de gaz vent separees du melange initial de gaz. 7. Methode selon la revendication 6, caracterisee en ce que deux ou plusieurs procedes de separation vent effectues en parallele, ayant pour resultat l' extraction simultanee de deux ou plusieurs gaz ou melanges distincts de gaz du melange initial de gaz. 8. Methode selon la revendication 6, caracterisee en ce que deux ou plusieurs procedes de separation vent effectues en etapes consecutives, telles que deux ou plusieurs gaz ou melanges distincts de gaz vent extraits successivement du melange initial de gaz.; - 7 - 9. Methode selon la revendication 6, 7 et 8, caracterisee en ce que les quantites de gaz separes du melange de gaz vent en meme proportions que dans le melange initial de gaz, ainsi pour eviter un enrichissement de n'importe loquel des gaz a l'interieur du reacteur. 10. M6thode selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'un ou plusieurs des gaz separes vent employee pour la combustion dans le brDleur. 11. Methode selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'un ou plusieurs des gaz separes vent conduits de nouveau au circuit pour reutilisation. 12. Methode selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'un ou plusieurs des gaz separes vent utilises pour prechauffer des composants dans le processus. 13. Hethode selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise par un flux controle des gaz avant separation et apres separation. 14. Methode selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les gaz d'echappement du creuset