Perfectionnements à un appareil d'électrolyse de l'eau

Abstract

 Appareil d'électrolyse de l'eau en milieu alcalin comportant au moins ensemble de cellules (1) logées dans un empilage de cadres annulaires (2) d'entretoisement dont des portées annulaires (21,22) marquent des plans de joint débouchant vers l'extérieur et équipées chacune de plaques-électrodes (7) et d'un diaphragme (8) qui forment descompar- timents (9) et (10) contenant chacun un électrolyte sous pression amené par au moins un canal d'arrivée, les gaz formés par électrolyse étant évacués vers des canaux, et il est essentiellement caractérisé par le fait qu'à chaque plan de joint débouchant vers l'extérieur est associée au moins une gorge %nnulaire collectrice (21 ') ménagée dans une portée de cadre et associée à des moyens d'évacuation (27) susceptibles d'évacuer l'électrolyte s'écoulant par ledit plan de joint.
L'appareil selon l'invention est un appareil à électrodes bipolaires rappelant la structure d'un filtre-presse.

Description

[0001] La présente invention est relative à des perfectionnements à un appareil destiné à l'électrolyse de l'eau, en milieu alcalin, sous pression.

[0002] L'appareil d'électrolyse selon l'invention est un appareil à électrodes bipolaires équipé d'un empilage de cadres rappelant la structure d'un tiltre-presse.

[0003] Le principe d'un appareil d'électrolyse est bien connu. Un tel appareil comporte des cellules contenant un électrolyte et équipées d'électro" des. Sous l'effet d'un champ électrique établi entre les électrodes, les tions se déplacent, dans la direction de ce champ, vers les dites électrodes. Les cations se déplacent vers la cathode et les anions se déplacent vers l'anode. Quand les ions arrivent sur les électrodes ils y abandonnent leur charge électrique et se transforment en atomes neutres. Dans le cas de l'électrolyse de l'eau, l'électrolyte est de l'eau additionnée généralement à de la potasse. Les réactions sur les électrodes conduisent à la formation d'hydrogène sur la cathode et d'oxygène sur l'anode. On sépare chaque cathode de l'anode opposée par un diaphragme. L'eau consommée doit être remplacée. Aussi, de l'électrolyte est amené par t'e_s canaux d'alimentation au bas des cellules. Lbxygène gazeux et l'hydrogène gazeux qui sont produits sur les électrodes sont recueillis à la partie supérieure des cellules.

[0004] On connaît différents types d'appareils servant à l'électrolyse de l'eau. Généralement deux plaques d'électrodes voisines sont séparées par au moins un cadre annulaire qui forme, avec lesdites plaques d'électrodes une cellule contenant l'électrolyte. Cette cellule est divisée par le diaphragme en deux compartiments dont l'un contient l'anolyte et l'autre le catholyte. L'appareil, du fait qu'il est pourvu d'un ensemble de plaques d'électrodes, comporte un empilage de cadres qui sont serrés entre deux plateaux de serrage soumis à un système de serrage. Chaque compartiment comporte à la partie supérieure un orifice permettant de recueillir un gaz et à la partie inférieure une entrée permettant l'introduction de l'électrolyte. Sur certains appareils, chaque électrode est anodique d'un c8té et cathodique de l'autre. Ces électrodes sont appelées bipolaires.

[0005] Certains appareils bipolaires fonctionnent à température et pression élevées. Ce fonctionnement sous pression procure un meilleur rendement.

[0006] Il faut empêcher l'écoulement de l'électrolyte par les plans de joint qui sont formés avec les faces annulaires généralement planes des cadres. Un tel écoulement aurait pour conséquence de provoquer des phénomènes de corrosion et des différences de pression entre les compartiments anodiques et cathodiques. L'étanchéité doit être controlée lorsque la pression de fonctionnement est élevée.

[0007] La présente invention a pour.but de fournir un système d'étanchéité satisfaisant pour un appareil d'électrolyse ayant une structure du type filtre-presse. Ce système d'étanchéité permet de recueillir les fuites éventuelles de l'électrolyte et de les recycler. Il évite en même temps les fuite de l'électrolyte alimentant les cellules et les fuites des gaz formés par l'électrolyse. Il sert à faire une barrière d'eau et sert à détecter les fuites. Ce système est adapté à un appareil d'électrolyse foncionnant à une pression supérieure à 30 bars et à une température supérieure à 80 °C.

[0008] L'appareil d'électrolyse selon l'invention comporte un ensemble de cellules logées dans un empilage de cadres annulaires d'entretoisement dont des portées annulaires marquent des plans de joint débouchant à l'èxtérieur et équipées chacune de plaques-électrodes et d'un diaphragme qu qui forme des compartiments contenant chacun un électrolyte sous pression amené par au moins un canal d'amenée, les gaz formés par électrolyse étant évacués vers des canaux et il est essentiellement caractérisé par le fait qu'à chaque plan de joint débouchant à l'extérieur est associée au moins un gorge annulaire collectrice ménagée dans une portée de cadre et associée à des moyens d'évacuation susceptibles d'évacuer l'électrolyte s'écoulant par le dit plan de joint.

[0009] Selon une autre caractéristique de l'invention, à chaque plan de joint est assocëe une gorge annulaire distributrice ménagée dans une portée de cadre et dont le périmètre est inférieur à la gorge annulaire collectrice et associée à des moyens d'alimentation en eau sous une pression supérieure à la pression de l'électrolyte.

[0010] L'invention va maintenant être décrite en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés.

La figure 1 est une coupe de l'appareil d'électrolyse conforme à l'invention.

La figure 2 est une vue de détail de la coupe représentée sur la figure 1.

La figure 3 est une vue partielle de la coupe A-A des figures 1 et 2.

[0011] En se référant aux figures 1 à 3, l'appareil comporte un groupe de cellules d'électrolyse 1 logées dans une enveloppe formée de cadres annulaires 2. Cet empilage de cadres 2 est enfermé dans une enceinte 3 constituée d'une cloche et d'un plateau de fermeture. L'empilage de cadres 2 est serré entre deux plateaux de serrage 4 et 5 logés à l'intérieur de l'enceinte. Le volume 6 qui est compris entre l'extérieur du groupe de cadre et l'intérieur de l'enceinte 3 est rempli par un gaz, tel que l'azote, à une pression sensiblement égale à la pression de l'électrolyte. Les deux plateaux de serrage 4 et 5 sont réunis par des tirants (ou un système équivalent) qui servent à les rapprocher l'un par rapport à l'autre en serrant les éléments intermédiaires.

[0012] Chaque cadre d'entretoisement 2 inséré entre les plateaux 4 et 5 une forme annulaire. Il est délimité par deux portées annulaires 21 et 22 généralement planes et il forme un alésage central 23. La surface extérieurs de chacun de ces cadres peut-étre prismatique ou cylindrique et de même la surface de l'alésage central 23 peut être prismatique ou cylindrique.

[0013] Chaque cellule est délimitée entre deux plaques-éléctrodes 7 et comprend un diaphragme 8. Les diaphragmes et les plaques-électrodes sont disposées verticalement, de manière alternée selon l'axe longitudinal de l'appareil. Les plaquas d'électrodes 7 sont constituées en nickel par exemple. Les diaphragmes 8 sont avantageusement constitués en un matériau résistant à la température et à la pression, par exemple, en carton d'amiante. Les plaques d'électrodes et les diaphragmes forment, avec les cadres d'entretoisement, une succession de compartiments 9 et 10. Les compartiments 9 contiennent l'anolyte et sont situés du c8té des faces anodiques 71 des plaques-électrodes 7. Les compartiments 10 sont dispesés de manière alternée avec les compartiments 9 et contiennent le catholyte et sont situés du c8té des faces cathodiques 72 des plaques-éléctrodes 7. Chaque diaphragme 8 ferme la totalité de la section droite de l'alésage 23 et est engagé à Sa périphérie dans une rainure annulaire d'un cadre d'entretoisement. Chaque plaque d'électrode 7 est insérée entre les portées 21 et 22 de deux cadras d'entretoisement 2. Sa face 71 est au contact d'une portée annulaire 21 d'un cadre, sa face 72 étant au contact d'une portée annulaire 22 d'un autre cadre. Elle forme avec les deux cadres d'entretoisement qui l'entoure, deux plans de joint parallèles. Ces deux plans de joint parallèles 21-71 et 22-72 débouchent dans la chambre extérieure 6.

[0014] Un canal d'alimentation 24 qui traverse au moins un des plateaux de serrage 4 et 5 fournit l'électrolyte aux différentes cellules d'électrolyse. Ce canal 24 traverse l'ensemble des cadres d'entretoisement 2, horizontalement. Il est relié à chaque compartiment 9 ou 10 par des conduits 241.

[0015] L'hydrogène qui se forme sur la face cathodique 72 de chaque électrode 7 s'élève dans le compartiment cathodique correspondant et il est recueilli à la partie supérieure de ce compartiment par des conduits 251. Ces différents conduits 251 débouchent dans un canal collecteur 25 qui s'étend horizontalement sur toute la longueur comprise entre les plateaux 4 et 5. L'oxygène qui se forme sur la face anodique 71 de chaque plaque-électrode 7 s'élève dans le compartiment anodique correspondant et est recueilli à la partie supérieure dans des conduits 261. Les différents conduits 261 débouchent dans un canal collecteur 26 qui s'étend horizontalement sur toute la longueur comprise entre les plateaux 4 et 5. Ces canaux collecteurs 25 et 26 traversent l'ensemble des cadres d'entretoisement.

[0016] A chaque plan de joint formé entre une face d'une plaque-électrode et une portée d'un cadre 2 adjacent est associée une gorgecollectrice repérée 211 ou 221. Les gorges 211 sont associées aux portées de joint 21 au contact des faces anodiques 71. Les gorges 221 sont associées aux portées de joint 22 au contact des faces cathodiques 72. Ces gorges sont incrustées dans les portées annulaires planes 21 ou 22 des cadres d'entre Deux cadres d'entret oisement toisement adjacents sont pourvus de deux gorges collectrices 211 et 221 symétriques par rapport au plan de symétrie de la plaque d'électrode intermédiaire. Ces gorges opposées communiquent par un ou plusieurs orifices 73 qui traversent de part en part la plaque d'électrode intermédiaire. est supérieur au périmètre Chaque gorge collectrice a une forme annulaire et son périmètre de l'alésage 23. Toutes les gorges collectrices 211 et 221 sont connectées entre elles par des conduits d'évacuation 27 qui traversent les cadres annulaires, horizontalement. Chaque conduit d'évacuation 27 réunit deux gorges collectrices 211 et 221 d'un même cadre d'entretoisement.

[0017] Un gorge collectrice du cadre accolé à un plateau de serrage, tel que 5., communique avec un conduit 51 ménagé dans ce plateau. Ce conduit est connecté à une tuyauterie qui traverse la chambre 6 avant de sortir de l'enceinte. Cette tuyauterie draine le liquide collecté dans les gorges collectrices vers un réservoir non représenté.

[0018] A chaque plan de joint formé entre une face d'une plaque-électrode et une portée d'un cadre adjacent est associée une gorge distributrice repérée 212 ou 222. Les gorges distributrices 212 sont associées aux portées de joint 21 au contact des faces anodiques.71. Les gorges distributrices 222 sont associées aux portées de joint 22 au contact des faces cathodiques 72. Ces gorges sont incrustées dans les portées annulaires planes 21 ou 22 des cadres d'entretoisement. De part et d'autre de chaque plaque d'électrode sont prévues deux gorges distributrices 212 et 222 qui sont symétriques par rapport au plan de symétrie de cette électrode. Ces gorges distributrices opposées communiquent par un ou plusieurs orifices 74 qui traversent de part en part la plaque d'électrode intermédiaire. Chaque gorge distributrice a une forme annulaire et son périmètre est inférieur au périmètre de l'alésage du cadre mais est inférieur au périmètre de la gorge annulaire collectrice. Toutes les gorges distributrices 212 et 222 sont réunies entre elles par des conduits d'alimentation 28 qui traversent horizontalement les cadres d'entretoisement. Chaque conduit d'alimentation 28 réunit deux gorges collectrices 212 et 222, d'un même cadre d'entretoisement, l'une étant associée à une portée de joint telle que 21 au contact de la face anodique d'une électrode, l'autre étant associée à une portée de joint telle que 22 au contact de la face cathodique d'une autre électrode. Une gorge distributrice du cadre accolé a un plateau de serrage tel que 5 communique avec un conduit 52 aménagé dans ce plateau. Ce conduit d'alimentation 52 est connecté à une tuyauterie d'alimentation qui traverse la chambre 6 avant de sortir de l'enceinte. Cette tuyauterie d'alimentation est connectée à une alimentation en eau déminéralisée. La pression de l'eau déminéralisée fournie dans les gorges distributrices 212 et 222 est supérieure à la pression règnant dans l'électrolyte contenu dans les compartiments.

[0019] Chaque gorge distributrice 212 ou 222 a un tracé tel que le canal d'amenée de l'électrolyte 24 est localisé de manière à passer à l'intérieur de la section délimitée par le périmètre de cette gorge distributrice. De même le tracé de chaque gorge distributrice est tel que les canaux d'évacuation des gaz 25 et 26 soient localisés à l'intérieur de la section délimitée par le périmètre de cette gorge.

[0020] Le fonctionnement va maintenant être expliqué. Les gorges distributrices 212 et 222 contiennent de l'eau déminéralisée amenée par le conduit ) 52 et les conduits 28. La pression de cette eau déminéralisée est supérieure à la pression dans l'électrolyte contenu dans le canal 24 ou les compartiments 9 et 10. En l'absence de fuite, le débit d'eau déminéralisée alimentant les gorges 212 et 222 est nul et, à la sortie du conduit 51, le débit doit également être nul. Au cas où, entre les faces opposées 21 et ) 71 ou 22 et 72 d'un quelconque plan de joint, se développerait un interstice partant de la chambre 6, l'azote qui passerait par cet interstice serait collecté dans une gorge collectrie 211 ou 221. En aval du conduit 51 il serait possible de déceler de l'azote. Au cas où se développerait Un interstice entre les gorges, l'eau déminéralisée passerait par cet interstice et serait collectée dans une gorge collectrice 211 ou 221. Au cas où se développerait un interstice entre une gorge 212 ou 222 et le canal d'alimentation 24, de l'eau déminéralisée s'ajouterait à l'elec- trolyte et un débit d'eau déminéralisée par le conduit 52 serait enregistré. Au cas où se développerait un interstice partant de l'alésage 23, la fuite de l'électrolyte ne pourrait pas se produire. L'eau déminéralisée pourrait pénétrer alors dans le compartiment correspondant à l'interstice créé. Les fuites d'hydrogène et d'oxygène vers l'xtérieur ne peuvent pas se produire du fait de la position des canaux d'évacuation 25 et 26 par rapport aux gorges distributrices.

[0021] Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l' invention imagniner des variantes et des perfectionnements de détails et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.

Revendications

1.- Appareil d'électrolyse comportant, dans un empilage de cadres annulaires d'entretoisement (2) dont des portées annulaires (21-22) marquent des plans de joint débouchant vers l'extérieur, un ensemble de cellules constituées chacune de plaques-électrodes (7) et d'un diaphragme (8) qui sépare des compartiments contenant de l'électrolyte sous pression amené par au moins un canal d'amenée (24), les gaz formés par l'électrolyse étant évacués vers des canaux (25-26), caractérisé par le fait qu'à chaque plan de joint débouchant à l'extérieur est associée d'une part une gorge annulaire distributrice (212 ou 222) alimentée en eau à une pression supérieure à la pression d'alimentation de l'électrolyte et d'autre part une gorge annulaire collectrice (211 ou 221) permettant l'évacuation du liquide s'écoulant par le plan de joint.

2.- Appareil d'électrolyse selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le périmètre de la gorge distributrice (212 ou 222) est inférieur à celui de la gorge collectrice (211 ou 221).

3.- Appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les gorges (211-212 - 221-222) sont ménagées dans les portées annulaires (21-22) planes des cadres (2), vis à vis des plaques d'électrodes (7).

4.- Appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque canal d'arrivée de l'électrolyte traverse un empilage de cadres d'entretoisement, caractérisé par le fait que le tracé de chaque gorge distributrice (212-222) est tel que le canal d'amenée (24) de l'électrolyte est localisé de manière à passer à l'intérieur de la section délimitée par le périmètre de cette gorge.

5.- Appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux d'évacuation des gaz traversent un empilage de cadres d'entretoisement, caractérisé par le fait que le tracé de chaque gorge distributrice (212-222) est tel que lesdits canaux d'évacuation (25-26) des gaz sont localisés de manière à passer à l'intérieur de la section délimitée par le périmètre de cette gorge (212-222).

6.- Appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les cadres d'entretoisement (2) sont percés par les conduits d'alimentation (28) réunissant les gorges distributrices (212-222) et par des conduits d'évacuation (27) réunissant les gorges collectrices (211-221).

7.- Appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les gorges (212-222 ou 211-221) sont prévues de part et d'autre des plaques d'électrodes (7) et communiquent par des orifices (73-74) qui traversent lesdites plaques d'électrodes (7)

Dessins