Brevet FR3154990A1 — publié le 20250509

La présente invention concerne un procédé de purification d’au moins une impureté, et de compression d’hydrogène, comportant au moins une compression thermique et un refroidissement de l’hydrogène au moins jusqu’à une température strictement inférieure à 0°C, simultanément ou en commençant par l’un des deux, jusqu’à une combinaison de température et de pression telle que ladite au moins une impureté condense suffisamment pour que la quantité restante de l’impureté dans l’hydrogène soit inférieure à une valeur prédéterminée La présente invention concerne également un dispositif spécialement conçu pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention. Figure de l’abrégé : Figure n° 1 Procédé et dispositif de purification et compression d’hydrogène La présente invention concerne un procédé et un dispositif de purification et compression de l’hydrogène. Pour utiliser l’hydrogène, par exemple comme carburant dans un véhicule, Il doit être pur, un seuil pour plusieurs impuretés étant défini selon des normes. De telles impuretés sont en particulier l’eau, mais aussi l’azote, l’ammoniac, le gaz carbonique, par exemple. L’hydrogène doit en particulier être « sec » c’est à dire, il doit contenir moins de 5ppm d’eau. La production d’hydrogène est très souvent réalisée à basse pression, de l’ordre de quelques bars, et peut également être sujette à des concentrations d’eau non négligeables. On peut classiquement sécher de l’hydrogène par des moyens chimiques ou par des moyens de séparation liquide/gaz. Cela nécessite toutefois des moyens importants en énergie, équipement et temps. Par exemple le document US20040042957 décrit un procédé et un dispositif dans lequel l’hydrogène qui vient d’être produit passe sur une surface activée par une source de courant continu où de l’eau s’évacue par une conduite ; l’hydrogène contient alors moins d’eau, et peut être comprimée par des compresseurs mécaniques qui supportent mal la présence d’eau dans l’hydrogène. On peut également sécher l’hydrogène, en abaissant la température suffisamment pour que l’eau condense. Mais pour arriver par exemple à 5 ppm d’eau dans l’hydrogène, il faudrait descendre à des températures en dessous de -71 °C, ce qui est industriellement difficile et onéreux. La présente invention a pour but de pallier au moins en partie à ces inconvénients. A cet effet elle propose un précédé de purification d’au moins une impureté, et de compression d’hydrogène. Ce procédé est particulier en ce qu’il comporte au moins une compression thermique et un refroidissement de l’hydrogène au moins jusqu’à une température strictement inférieure à 0°C, simultanément ou en commençant par l’un des deux, jusqu’à une combinaison de température et de pression telle que ladite au moins une impureté condense suffisamment pour que la quantité restante de l’impureté dans l’hydrogène soit inférieure à une valeur prédéterminée. Grâce à ces dispositions, on obtient de l’hydrogène « pur » dans le sens que l’impureté n’est plus présente qu’en quantités inférieure à la valeur prédéterminée, qui peut être une valeur imposée par une norme pour considérer l’hydrogène comme pur par rapport à ladite impureté. Selon d’autres caractéristiques : l’impureté peut être de l’eau, et ladite combinaison consister en une température inférieure à -10°C, de préférence inférieure à -30°C et une pression supérieure à 20 bar, de préférence supérieure à 60 bar ; de telles valeurs permettent d’obtenir des niveaux de pureté intéressants, la première compression thermique peut être une compression seulement thermique, sans réaction chimique ajoutée, permettant une compression d’hydrogène chargé en impuretés sans inconvénient, ledit procédé peut comporter en outre une deuxième compression thermique incluant une sous-étape de compression thermochimique, suivie d’une sous-étape de compression seulement thermique, sans réaction chimique ajoutée ; une telle disposition permet avantageusement de monter à des pressions élevées, par exemple de l’ordre de 900 bar. La présente invention concerne également une installation de purification d’au moins une impureté, et de compression d’hydrogène, comportant : une installation de production d’hydrogène, un compresseur thermique connecté à une source de chaleur et à une source de froid, à température strictement inférieure à 0°C, un moyen de récupération d’un condensat, une installation de réfrigération de l’hydrogène comprimé, et/ou une installation de réfrigération associée à la production d’hydrogène, Cette installation est particulière en ce que la source de chaleur est constituée de la chaleur dégagée par l’installation de production d’hydrogène, et/ou la source de froid est constituée de l’installation de réfrigération de l’hydrogène comprimé et/ou de l’installation de réfrigération associée à la production d’hydrogène. Grâce à ces dispositions on obtient de l’hydrogène pur avec très peu de moyens et des coûts réduits. Selon d’autres caractéristiques : ledit compresseur thermique peut comprendre une première unité de compression seulement thermique, une deuxième unité de compression thermochimique, et une troisième unité de compression seulement thermique, et la première unité de compression seulement thermique est connectée à la source de froid à température strictement inférieure à 0°C ; de telles dispositions permettent la mise en œuvre optimale du procédé selon l’invention, avec une première compression seulement thermique, supportant les impuretés dans l’hydrogène, un refroidissement préalable, simultané ou immédiatement après, jusqu’à condensation suffisante des impuretés, et une compression jusqu’à des valeurs élevées de pression, la première unité de compression thermique peut être configurée pour comprimer l’hydrogène depuis une pression comprise entre 1 et 35 bar jusqu’à une pression comprise entre 20 et 300 bar ; de telles valeurs permettent d’obtenir de bons résultats de pureté de l’hydrogène, ladite installation peut être reliée en aval à une station-service comprenant des équipements de génération de froid, et la source de froid comprendre au moins une partie de ces équipements de génération de froid, permettant ainsi de proposer des équipements simplifiés en station-service, ladite installation peut être reliée en aval à une canalisations dédiée au transport d’hydrogène à une pression comprise en 50 et 200 bar. L’avantage apporté par la présente invention réside principalement en ce qu’il devient possible de proposer des équipements simples et peu onéreux pour les installations de stations-services d’hydrogène en relevant simultanément au moins en partie deux défis d’une telle installation : d’une part la purification de l’hydrogène destiné aux véhicules, de manière à répondre aux standards industriels d’autre part la compression des premiers bars de pression, qui est très consommatrice d’énergie. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit faite en référence aux figures annexées dans lesquelles La FIG. 1 est une vue schématique d’un dispositif selon l’invention. Le procédé selon l’invention est un procédé qui consiste à purifier de l’hydrogène d’au moins une impureté, et à comprimer l’hydrogène. Le procédé est particulièrement avantageux pour débarrasser l’hydrogène de l’eau qu’elle contient à l’état gazeux, mais peut aussi convenir pour d’autres impuretés, telle que l’azote, l’ammoniac ou le gaz carbonique par exemple. On trouvera ci-après une description détaillée du procédé appliqué à l’eau comme impureté. On parlera donc d’un séchage de l’hydrogène, le séchage de l’hydrogène étant une purification de l’impureté « eau » de l’hydrogène. Toutefois cela ne réduit nullement la portée de la présente invention à l’eau comme impureté, et peut s’appliquer à d’autres impuretés, avec des adaptations notamment de valeurs de température et de pression à l’impureté concernée, lesquelles adaptations sont à la portée de l’homme du métier. Dans toute la suite, on parlera de séchage et compression de l’hydrogène. L’objectif d’un tel séchage et d’une telle compression est par exemple l’utilisation de l’hydrogène purifié et comprimé comme carburant, en particulier pour des véhicules. L’hydrogène dont il est question peut comprendre d’autres impuretés, soit que ces autres impuretés sont présentes dans les proportions considérées comme acceptables, soit qu’elles sont présentes dans des proportions plus fortes, par exemple parce qu’une purification de telles impuretés est envisagée à un stade postérieur au séchage. Le procédé de séchage selon l’invention comporte au moins une première étape de compression thermique et de refroidissement de l’hydrogène. On peut par exemple commencer par comprimer l’hydrogène par une compression thermique jusqu’à une pression de 50 bar. Le choix d’une compression thermique présente l’avantage de ne pas craindre l’eau contenue dans l’hydrogène à ce stade du procédé. On peut ensuite refroidir l’hydrogène par exemple jusqu’à une température de -37°C tout en maintenant la pression. Dans ces conditions de température et de pression, l’eau condense jusqu’à ce que l’hydrogène ne contienne plus que moins de 5ppm d’eau à l’état gazeux. Dans le cadre de la présente invention, on considèrera qu’une condensation est soit une transformation de l’état gazeux vers l’état liquide, soit une transformation de l’état gazeux directement vers l’état solide ; le condensat obtenu peut donc être soit un liquide, soit un solide ; la condensation permet donc un retrait de l’eau liquide ou solide, et il ne reste que la part d’eau à l’état gazeux dans l’hydrogène. Cette combinaison de compression et refroidissement permet d’obtenir un hydrogène suffisamment sec, sans devoir abaisser la température jusqu’à -71°C, température qu’il est très difficile d’atteindre. On peut donc, selon l’invention, obtenir un hydrogène sec sans avoir à abaisser la température à des niveaux difficiles à atteindre, et sans purification préalable qui serait coûteuse et prendrait du temps. On peut aussi commencer par refroidir l’hydrogène jusqu’à la température de -37°C, puis comprimer l’hydrogène jusqu’à une pression de 50 bar par une compression thermique. Le choix d’une compression thermique présente ici le même avantage que ci-dessus. On peut choisir d’autres combinaisons de température et de pression, par exemple une température de -10°C, et une pression de 565 bar. Le choix de la combinaison de température et de pression dépendra de la source de froid disponible, et de la pression initiale de l’hydrogène notamment. D’autres facteurs peuvent intervenir, comme il sera précisé plus loin. Pour des combinaisons de température et de pression dans lesquelles la température passe au-dessus de -10°C, ou approche les 0°C, les pressions nécessaires sont telles que l’intérêt du procédé selon l’invention baisse significativement. On pourrait imaginer que la première étape de compression thermique soit configurée pour monter jusqu’à environ 900 bar par un compresseur purement thermique ; même à une telle pression, la température pour obtenir un hydrogène suffisamment sec serait de l’ordre de -5°C. Un tel procédé est donc également conforme à la présente invention, mais il rend impossible l’utilisation d’autres types de compresseur, tel qu’un compresseur thermochimique, ou un compresseur mécanique, qui peuvent avoir leur utilité pour une partie significative de la montée en pression. Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre dans une installation de type station-service, comportant un dispositif de production d’hydrogène 1, un dispositif de compression de l’hydrogène 2, 3, 5 jusqu’à environ 950 bar, un réservoir 6 à environ 950 bar, prêt à être introduit dans le réservoir d’un véhicule, où il doit présenter une pression d’environ 700 bar. Comme l’hydrogène se détend en étant introduit dans le réservoir du véhicule, il dégage de la chaleur, et chauffe. On y ajoute donc généralement une source de froid 7, qui peut typiquement être à environ -40°C. Ainsi l’hydrogène chargé dans le réservoir se rafraichit sous l’effet de la source de froid, avant qu’il ne se réchauffe notamment sous l’effet de sa détente, et finit par s’équilibrer à une température proche de l’ambiante, environ 20°C dans le réservoir du véhicule. Le dispositif de production d’hydrogène 1 peut être un thermolyseur, un électrolyseur, ou encore un dispositif de désorption de l’hydrogène qui a été adsorbé sur un autre produit en vue de son stockage et transport. Dans le cadre de la présente invention, un dispositif de désorption d’hydrogène est considéré comme étant un dispositif de production d’hydrogène, dans le sens qu’il permet d’obtenir de l’hydrogène qu’on peut introduire dans ledit dispositif de compression. Tous ces dispositifs de production de l’hydrogène dégagent de la chaleur. Selon l’invention, cette chaleur peut être utilisée par un premier compresseur thermique 2 du dispositif de compression de l’hydrogène, et peut dans certaines circonstances suffire à monter la pression à plusieurs dizaines de bar jusqu’à une pression P1, par exemple égale à 60 bar. On obtient ainsi un premier compresseur thermique 2 dont le besoin en chaleur est en partie, et de préférence entièrement couvert par le dégagement de chaleur du dispositif de production d’hydrogène 1. La source de froid 7 peut être reliée au premier compresseur thermique 2 pour former un dispositif de refroidissement 9, configuré pour réduire la température jusqu’à T1 par exemple égale à -35°C. On obtient ainsi un dispositif de refroidissement 9 alimenté par ladite source de froid, sans avoir besoin de prévoir une source de froid spécifiquement pour ledit dispositif de refroidissement. A 60 bar et -35°C, la pression de vapeur saturante de l’eau dans l’hydrogène est telle qu’il reste moins de 5 ppm d’eau dans l’hydrogène, le reste d’eau a condensé et il suffit de la récupérer en bas de dispositif. Le dispositif de compression de l’hydrogène peut comporter un deuxième compresseur thermique 3, 5, configuré pour monter la pression jusqu’à une pression P3 qui peut être de 950 bar par exemple. Le dispositif de compression de l’hydrogène peut aussi comporter un compresseur thermochimique 3, pour monter la pression de P1 jusqu’à une pression P2 par exemple égale à 450 bar et un réservoir intermédiaire 4 dans lequel l’hydrogène est stocké à cette pression, et un compresseur thermique 5 configuré pour monter la pression de P2 à P3. L’hydrogène est ensuite stocké à la pression P3 dans le réservoir 6. L’hydrogène stocké dans le réservoir 6 est à une pression P3, par exemple 950 bar, supérieure à la pression à laquelle il est destiné à se trouver dans le réservoir du véhicule. Un véhicule peut alors se présenter à la station-service pour faire le plein de son réservoir ; un plein est constitué lorsque l’hydrogène dans ce réservoir du véhicule se trouve par exemple à 700 bar à température ambiante. La borne de distribution de l’hydrogène 8 de la station-service met alors en relation le réservoir du véhicule, lequel contient généralement une quantité résiduelle d’hydrogène, par exemple à 200 bar, avec le réservoir 6 et ouvre une vanne ; la pression dans le réservoir 6 étant plus élevée, par exemple 950 bar, l’hydrogène s’écoule vers le réservoir du véhicule, tout en se détendant. L’hydrogène qui se détend, chauffe, et si on ne prend pas de précaution supplémentaire, peut se trouver dans le réservoir à des températures supérieures à 85°C, limite de température que les réservoirs courants sont capables de supporter. Pour éviter cela, une source de froid 7 est présente presque systématiquement sur une station-service à hydrogène. La source de froid 7 agit sur l’hydrogène qui s’écoule pour le refroidir, avant que celui-ci ne s’introduise dans le réservoir du véhicule ; la source de froid 7 peut typiquement être à une température aux environs de -40°C ; les détails de construction pour obtenir ce refroidissement de l’hydrogène sont à la portée de l’homme du métier, et n’ont pas besoin d’être décrits dans le cadre de la présente demande. Lorsqu’une pression de par exemple 875 bar est atteinte dans le réservoir, la vanne est fermée, et le plein est fait ; l’hydrogène peut alors se trouver à une température d’environ 85°C grâce au refroidissement préalable, température que le réservoir est capable de supporter, alors qu’à 140°C, le réservoir se détériorerait. Par échanges de chaleur naturels, la température descend alors jusqu’à l’ambiante, ce qui fait baisser la pression jusque vers 700 bar, ce qui correspond à une pression de réservoir plein. Bien que la description ci-dessus se base sur des modes de réalisation particuliers, elle n’est nullement limitative de la portée de l’invention, et des modifications peuvent être apportées, notamment par substitution d’équivalents techniques ou par combinaison différente de tout ou partie des caractéristiques développées ci-dessus. Procédé de purification d’au moins une impureté, et de compression d’hydrogène, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une compression thermique et un refroidissement de l’hydrogène au moins jusqu’à une température strictement inférieure à 0°C, simultanément ou en commençant par l’un des deux, jusqu’à une combinaison de température et de pression telle que ladite au moins une impureté condense suffisamment pour que la quantité restante de l’impureté dans l’hydrogène soit inférieure à une valeur prédéterminée. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’impureté est de l’eau à l’état gazeux, et ladite combinaison consiste en une température inférieure à -10°C, de préférence inférieure à -30°C et une pression supérieure à 20 bar, de préférence supérieure à 60 bar. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première compression thermique est une compression seulement thermique, sans réaction chimique ajoutée. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre une deuxième compression thermique incluant une sous-étape de compression thermochimique, suivie d’une sous-étape de compression seulement thermique, sans réaction chimique ajoutée. Installation de purification d’au moins une impureté, et de compression d’hydrogène, comportant : une installation de production d’hydrogène, un compresseur thermique connecté à une source de chaleur et à une source de froid à température strictement inférieure à 0°C, un moyen de récupération d’un condensat, une installation de réfrigération de l’hydrogène comprimé, et/ou une installation de réfrigération associée à la production d’hydrogène, caractérisée en ce que la source de chaleur est constituée au moins en partie de la chaleur dégagée par l’installation de production d’hydrogène, et/ou la source de froid est constituée au moins en partie de l’installation de réfrigération de l’hydrogène comprimé et/ou de l’installation de réfrigération associée à la production d’hydrogène. Installation selon la revendication précédente dans laquelle ledit compresseur thermique comprend une première unité de compression seulement thermique, une deuxième unité de compression thermochimique, et une troisième unité de compression seulement thermique, et la première unité de compression seulement thermique est connectée à la source de froid à température strictement inférieure à 0°C. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle la première unité de compression thermique est configurée pour comprimer l’hydrogène depuis une pression comprise entre 1 et 35 bar jusqu’à une pression comprise entre 20 et 300 bar. Installation selon une des revendications 5 à 7, reliée en aval à une station-service comprenant des équipements de génération de froid, et la source de froid comprend au moins une partie de ces équipements de génération de froid. Installation selon une des revendications 5 à 7, reliée en aval à une canalisations dédiée au transport d’hydrogène à une pression comprise en 50 et 200 bar.