Brevet FR3094339A1 — publié le 20201002

Description Titre de l'invention : Plateforme navale comprenant une pile à combustible et une unité de méthanation sélective du monoxyde de carbone [pool La présente invention concerne une plateforme navale, de préférence un engin sous- marin, comprenant : [0002] - une unité de reformage adapté pour produire un gaz de synthèse à partir d'au moins un carburant, le gaz de synthèse comprenant du dihydrogène à une première concentration volumique, du dioxyde de carbone, et du monoxyde de carbone, [0003] - une unité de filtration adaptée pour filtrer le gaz de synthèse et produire un gaz filtré comprenant du dihydrogène à une deuxième concentration volumique supérieure à la première concentration, du monoxyde de carbone à une troisième concentration volumique, et du dioxyde de carbone à une quatrième concentration volumique, et [0004] - au moins une pile à combustible. [0005] L'invention concerne également un procédé correspondant. [0006] Dans une telle plateforme navale, l'unité de réformage produit un gaz de synthèse riche en hydrogène destiné à être converti en électricité dans la pile à combustible en présence de dioxygène. Une unité de filtration est ajoutée, afin de produire un gaz filtré comportant proportionnellement plus de dihydrogène que le gaz de synthèse. [0007] Néanmoins, il a été constaté des baisses de performances de la pile à combustible, auxquelles il est possible de remédier par une purge de cette dernière. Toutefois, une telle purge crée un risque de pollution de l'atmosphère interne à la plateforme navale par des composés présents dans le gaz filtré, tels que le monoxyde de carbone. [0008] Un but de l'invention est donc de fournir une plateforme navale présentant de meilleures performances, tout en préservant la sécurité. [0009] A cet effet, l'invention a pour objet une plateforme navale du type décrit ci-dessus, [0010] comprenant en outre une unité de méthanation configurée pour recevoir le gaz filtré et le transformer en un gaz traité, l'unité de méthanation étant configurée pour synthétiser du méthane à partir du dihydrogène et du monoxyde de carbone présents dans le gaz filtré, le gaz traité comprenant du monoxyde de carbone à une cinquième concentration volumique inférieure à 1 ppm, la pile à combustible étant configurée pour recevoir le gaz traité et. produire de l'électricité. [0011] Selon des modes de réalisation particuliers, la plateforme navale comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : [0012] - l'unité de méthanation est configurée pour laisser passer dans le gaz traité au moins 2 97% du dioxyde de carbone présent dans le gaz filtré ; [0013] - l'unité de méthanation comprend un catalyseur comprenant du nickel et/ou du ruthénium ; [0014] - la troisième concentration est inférieure à 500 ppm, de préférence à 300 ppm, et de manière encore plus préférée à 150 ppm ; [0015] - la deuxième concentration est supérieure à 90%, de préférence à 95%, et de manière encore plus préférée à 97% ; [0016] - la quatrième concentration est comprise entre 50 et 200 fois la troisième concentration ; [0017] - le gaz filtré est reçu dans l'unité de méthanation à une température comprise entre 200°C et 350°C, de préférence inférieure à 300°C, et de manière encore plus préférée inférieure à 250°C ; [0018] - l'unité de filtration comprend une membrane métallique ; et [0019] - le gaz filtré est constitué, à au moins 99,9% en volume, de dihydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et de méthane. [0020] L'invention a également pour objet un procédé comprenant les étapes suivantes : [0021] - obtention d'une platcforme navale telle que décrite ci-dessus, [0022] - dans l'unité de reformage, production du gaz de synthèse au moins à partir du carburant, [0023] - filtration du gaz de synthèse et production du gaz filtré dans l'unité de filtration, [0024] - dans l'unité de méthanation, réception du gaz filtré et transformation du gaz filtré en le gaz traité, et [0025] - dans la pile à combustible, réception du gaz traité et production d'électricité. [0026] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : [0027] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique d'une plateforme navale selon l'invention. [0028] En référence à la figure 1 unique, on décrit une plateforme navale 1 selon l'invention. [0029] La plateforme navale 1 est par exemple un engin sous-marin, ou bien en variante un bâtiment de surface. [0030] La plateforme navale 1 comprend au moins une source 3 adaptée pour fournir un carburant 5, et avantageusement une source 5A adaptée pour fournir du dioxygène 5B et une source 6A adaptée pour fournir de la vapeur 6B. [0031] La plateforme navale 1 comprend une unité de réformage 7 adaptée pour produire un gaz de synthèse 9 à partir du carburant 5, du dioxygène 5B et de la vapeur 6B. [0032] La plateforme navale 1 comprend une unité de filtration 11 adaptée pour filtrer le gaz de synthèse 9 et produire un gaz filtré 13 enrichi en dihydrogène, et pour produire un ou plusieurs résidus 15. [0033] Selon un mode de réalisation particulier, la plateforme navale 1 comprend un ou 3 plusieurs réservoirs 17 pour stocker le ou les résidus 15. [0034] Selon un autre mode de réalisation non représenté, les résidus sont rejetés en dehors de la plateforme navale 1. Les réservoirs 17 sont alors inutiles. [0035] La plateforme navale 1 comprend une unité de méthanation 19 configurée pour recevoir le gaz filtré 13 et le transformer en un gaz traité 21. La plateforme navale 1 comprend une pile à combustible 23 configurec pour recevoir le gaz traité 21 et produire de l'électricité 25. La plateforme navale 1 comprend avantageusement une source 27 adaptée pour fournir un comburant 29 à la pile à combustible 23. La plateforme navale comprend optionnellement un réservoir 31 adapté pour stocker un ou plusieurs résidus 33 en provenance de la pile à combustible 23. [0036] Dans l'exemple, les résidus 33 sont de l'eau, qui est avantageusement utilisée pour produire au moins une partie de la vapeur 6B dans la source 6A. [0037] Le carburant 5 est avantageusement un mélange d'hydrocarbures, ou du méthanol. [0038] Le mélange d'hydrocarbures est par exemple du gasoil, ou tout autre combustible usuel sur une plateforme navale. [0039] La source 3 est par exemple un réservoir de combustible dédié, ou est un réservoir de combustible servant aussi à la propulsion de la plateforme navale. [0040] L'unité de reformage 7 est par exemple adaptée pour réaliser un reformage à la vapeur et produit le gaz de synthèse 9 comprenant du dihydrogène à une première concentration volumique élevée, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau. [0041] Avantageusement, l'unité de reformage 7 est également adaptée pour réaliser une réaction de shift (ou « réaction du gaz à l'eau ») pour obtenir le gaz de synthèse 9. [0042] La réaction de shift est la réaction CO + I-LO -> CO2 + H2. [0043] L'unité de filtration 11 comprend avantageusement une ou plusieurs membranes mé- talliques, par exemple sous forme de plaques ou de tubes. L'unité de filtration 11 est adaptée pour retirer certains composés du gaz de synthèse 9 afin d'obtenir le gaz filtré 13, et le ou les résidus 15 qui sont envoyés dans le ou les réservoirs 17 de stockage, ou sont relargués hors de la plateforme navale 1. [0044] L'unité de filtration 11 comprend des joints ou des soudures pour faire l'étanchéité entre le gaz de synthèse 9 et le gaz filtré 11, c'est-à-dire entre l'amont et l'aval de l'unité de filtration 11. Ces éléments d'étanchéité peuvent perdre en efficacité au cours de la durée de vie du système, ce qui se peut se traduire par une augmentation de la quantité de monoxyde de carbone résiduelle dans la composition du gaz filtré 11. Il est donc avantageux de disposer de l'unité de méthanation 19 pour réduire l'impact de ces transferts. [0045] Le gaz filtré 13 comprend du dihydrogène à une deuxième concentration volumique supérieure à la première concentration, du monoxyde de carbone à une troisième concentration volumique, et du dioxyde de carbone à une quatrième concentration volumique. [0046] La deuxième concentration est avantageusement supérieure à 90 vol%, de préférence à 95 vol%, et de manière encore plus préférée à 97 vol%. [0047] La troisième concentration est avantageusement inférieure à 500 ppm, de préférence à 300 ppm, et de manière encore plus préférée à 150 ppm. [0048] Avantageusement, la quatrième concentration est comprise entre 50 et 200 fois la troisième concentration. Dit autrement, il y a entre 50 et 200 fois plus de dioxyde de carbone en moles, que de monoxyde de carbone dans le gaz filtré 13. [0049] Dans le gaz filtré 13, les autres composants sont principalement le méthane et la vapeur d'eau. Avantageusement, le gaz filtré est constitué à au moins 99,9% en volume de dihydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et de méthane. [0050] Le gaz filtré 13 est par exemple reçu dans l'unité de méthanation à une température comprise entre 200°C et 350°C, de préférence inférieure à 300°C, et de manière encore plus préférée inférieure à 250°C. [0051] L'unité de méthanation 19 est configurée pour synthétiser du méthane à partir du di- hydrogène et du monoxyde de carbone présents dans le gaz filtré 13. L'unité de méthanation est sélective, en ce sens que la méthanation a lieu davantage en moles sur le monoxyde de carbone que sur le dioxyde de carbone présent dans le gaz filtré. L'unité de méthanation 19 comprend avantageusement un catalyseur comprenant par exemple du nickel et/ou du ruthénium. [0052] Avantageusement, au moins 97% du dioxyde de carbone présent dans le gaz filtré 13 ne réagit pas dans l'unité de méthanation 19 et se retrouve dans le gaz traité 21. [0053] Le gaz traité 21 comprend du monoxyde de carbone à une cinquième concentration volumique inférieure à 1 ppm. [0054] La pile à combustible 23 est par exemple du type à membrane d'échange de protons (en anglais : PEM). [0055] Le comburant 29 est par exemple du dioxygène ou de l'air. [0056] Le fonctionnement de la plateforme navale 1 se déduit de sa structure et va maintenant être brièvement décrit. [0057] Le carburant 5 arrive dans l'unité de réformage 7 en provenance du réservoir 3. L'unité de réfonnage 7 produit le gaz de synthèse 9 à partir du carburant 5, du dioxygène 5B et de la vapeur 6B. [0058] Puis, le gaz de synthèse 9 est filtré par l'unité de filtration 11, ce qui produit le gaz filtré 13 enrichi en dihydrogène et appauvri en monoxyde de carbone et éventuellement en dioxyde de carbone. Ceci produit aussi le ou les résidus 15 qui sont stockés dans le ou les réservoirs 17 ou rejetés à l'extérieur de la plateforme navale 1. [0059] Le gaz filtré 13 est ensuite méthanisé par l'unité de méthanation 19, qui produit le gaz traité 21. Dans l'unité de méthanation 19, une fraction importante du monoxyde de carbone contenu dans le gaz filtré 13 réagit avec le dihydrogène pour former du méthane. En revanche, grâce à la sélectivité de la méthanation, très peu de dioxyde de carbone présent dans le gaz filtré 13 réagit avec le dihydrogene, ce qui limite la consommation de dihydrogène. Au global, la méthanation permet de réduire la concentration en monoxyde de carbone dans le gaz traité 21 à une valeur inférieure à 1 ppm, sans consommer une trop grande quantité de dihydrogène, lequel est ensuite transformé en électricité par la pile à combustible 23. [0060] La pile à combustible 23 utilise le comburant 29 en provenance de la source 27, et produit le ou les déchets 33 stockés dans le réservoir 31. Les déchets 33 étant ici de l'eau, ils sont avantageusement utilisés pour produire la vapeur 6B. [0061] Grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, en particulier l'unité de méthanation 19, la pile à combustible 23 reçoit une concentration très faible en monoxyde de carbone, et maintient ses performances (rendement électrique) plus longtemps. [0062] En outre, lorsque des purges de la pile à combustible 23 sont effectuées, le risque de polluer l'atmosphère du bord par des composés tels que le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone est réduit. [0063] La plateforme navale 1 présente donc une sécurité améliorée. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] Plateforme navale (1), de préférence un engin sous-marin, comprenant : - une unité dc reformage (7) adapté pour produire un gaz de synthèse (9) à partir d'au moins un carburant (5), le gaz de synthèse (9) comprenant du dihydrogène à une première concentration volumique, du dioxyde dc carbone, et du monoxyde de carbone, - une unité dc filtration (11) adaptée pour filtrer le gaz de synthèse (9) et produire un gaz filtré (13) comprenant du dihydrogène à une deuxième concentration volumique supérieure à la première concentration, du monoxyde de carbone à une troisième concentration volumique, et du dioxyde de carbone à une quatrième concentration volumique, et - au moins une pile à combustible (23), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une unité de méthanation (19) configurée pour recevoir le gaz filtré (13) et le transformer en un gaz traité (21), l'unité de méthanation (19) étant configurée pour synthétiser du méthane à partir du dihydrogène et du monoxyde de carbone présents dans le gaz filtré (13), le gaz traité (21) comprenant du monoxyde de carbone à une cinquième concentration volumique inférieure à 1 ppm, la pile à combustible (23) étant configurée pour recevoir le gaz traité et produire de l'électricité. [Revendication 2] Plateforme navale (1) selon la revendication 1, dans laquelle l'unité de méthanation (19) est configurée pour laisser passer dans le gaz traité au moins 97% du dioxyde de carbone présent dans le gaz filtré. [Revendication 3] Plateforme navale (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'unité de méthanation comprend un catalyseur comprenant du nickel et/ou du ruthénium. [Revendication 4] Plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la troisième concentration est inférieure à 500 ppm, de préférence à 300 ppm, et de manière encore plus préférée à 150 ppm. [Revendication 5] Plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la deuxième concentration est supérieure à 90%, de préférence à 95%, et de manière encore plus préférée à 97%. [Revendication 6] Plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la quatrième concentration est comprise entre 50 et 200 fois la troisième concentration. [Revendication 7] Plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le gaz filtré (13) est reçu dans l'unité de méthanation à une 7 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] température comprise entre 200°C et 350°C, de préférence inférieure à 300°C, et de manière encore plus préférée inférieure à 250°C. Plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l'unité de filtration (11) comprend une membrane métallique. Plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le gaz filtré (13) est constitué, à au moins 99,9% en volume, de dihydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et de méthane. Procédé comprenant les étapes suivantes : - obtention d'une plateforme navale (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, - dans l'unité de reformage (7), production du gaz de synthèse au moins à partir du carburant (5), - filtration du gaz de synthèse (9) et production du gaz filtré (13) dans l'unité de filtration (11), - dans l'unité de méthanation (19), réception du gaz filtré (13) et transformation du gaz filtré (13) en le gaz traité (21), et - dans la pile à combustible (23), réception du gaz traité (21) et production d'électricité.